新型生物催化剂促进秸秆高值化应用

木质纤维素的复杂结构和组成形成了天然拮抗降解作用的屏障。因此，如何实现木质纤维素高效、低成本的酶解糖化成为秸秆产业化应用的主要瓶颈问题之一。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢物组学研究组成功开发出新型木质纤维素整合生物糖化(CBS)生物催化剂，CBS工艺有望以具有经济实用性和可持续性的方式，将木质纤维素生物转化带入实际工业应用中，从而极大促进木质纤维素生物质资源的大规模应用。该工作日前在线发表于《生物资源技术》。

《中国科学报》了解到，此前，该研究组在针对热纤梭菌及纤维小体开展长期研究的基础上，建立了全新的CBS策略。CBS采用基于纤维小体的新型生物催化剂，并以可发酵糖作为出口偶联下游应用，具有显著的灵活性和成本优势。

此外，研究组还进一步围绕CBS技术特点开发出上下游工艺，从而形成从原料到高值产品的全链条工艺，这是我国科学家在国际上首次提出的具有自主知识产权的秸秆高值化转化成套技术路线。

由于纤维素的水解物纤维二糖对纤维小体体系产生严重的反馈抑制，同时在CBS生物催化剂中，β—葡萄糖苷酶(BGL)的表达不可缺少，为此，代谢物组学研究组通过向热纤梭菌中引入外源BGL，构建了两代CBS生物催化剂，实现了纤维素到葡萄糖的高效转化。然而，在热纤梭菌中实现异源蛋白的高水平表达仍具有较大的挑战性。另一方面，满足CBS要求的BGL最优表达水平及其与纤维小体的匹配规律也不清楚。

为了解决这些问题，研究人员开发出基于质粒骨架的高效异源表达方法，实现了BGL在热纤梭菌中的高水平表达和外泌，获得了第三代CBS生物催化剂，进而明确了胞外BGL与纤维小体活性的最佳比值应在5.5到21.6的范围内。

不仅如此，研究人员还发现，尽管BGL对于提高CBS糖化效率至关重要，但过量的BGL表达及其通过I型cohesin-dockerin相互作用在纤维小体上的组装，均会导致纤维小体活性降低，这不仅证实了BGL与纤维小体协同活性的重要性，更将有效指导下一步CBS生物催化剂的优化和改良。

目前，基于构建的第三代CBS生物催化剂，研究组通过与企业的合作已经建成百吨级秸秆糖化中试示范，将进一步解决中试放大过程中的技术问题，开展CBS过程的生产成本估算和进一步的技术优化。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125441