科学家们展示了一种新技术，利用生物工程改造的细菌可以从可再生植物资源中生产出经济高效的化学品/聚合物。
木质素是所有陆生植物细胞壁的组成成分，是继纤维素之后含量第二丰富的天然聚合物。它是植物中唯一一种不由碳水化合物（糖）单体组成的聚合物。木质纤维素生物聚合物赋予植物形状、稳定性、强度和刚性。木质纤维素生物聚合物主要由三种成分组成：纤维素和半纤维素构成框架，木质素作为连接剂嵌入其中，从而强化细胞壁。细胞壁木质化使植物能够抵抗风虫害，并防止腐烂。木质素是一种储量丰富但尚未充分利用的可再生能源。木质素占木质纤维素生物质的30%之多，至少从化学角度来看，它是一笔尚未开发的宝藏。化学工业主要依赖碳化合物来生产各种产品，例如油漆、人造纤维、肥料，以及最重要的塑料。该行业确实使用一些可再生资源，例如植物油、淀粉、纤维素等，但这仅占所有化合物的13%。
木质素，一种用于制造产品的有前途的石油替代品
事实上，木质素是地球上唯一一种含有大量芳香族化合物的可再生资源。这一点至关重要，因为芳香族化合物通常提取自不可再生资源石油，然后用于生产塑料、油漆等产品。因此，木质素的潜力巨大。与不可再生化石燃料石油相比，木质纤维素来源于木材、秸秆或芒草等可再生资源。木质素可以在田野和森林中生长，并且通常对气候无害。在过去的几十年里，木质纤维素一直被视为石油的重要替代品。目前，石油是化学工业的驱动力。石油是许多基础化学品的原料，这些基础化学品随后被用于生产各种有用产品。但是，石油是不可再生资源，而且储量正在减少，因此必须重点寻找可再生资源。这使得木质素成为一种非常有前景的替代品。
木质素富含高能量，但提取这些能量的过程复杂且成本高昂，因此，即使最终得到的生物燃料成本也通常很高，无法经济有效地替代目前使用的“运输能源”。人们已经研究了许多方法来开发经济高效的木质素分解和转化方法，以期将其转化为有价值的化学品。然而，一些限制因素阻碍了木质素这种易降解植物物质的转化，使其无法用作替代能源，甚至难以提高其成本效益。最近一项研究成功地对细菌（大肠杆菌）进行了基因改造，使其成为高效的生物转化细胞工厂。这种细菌生长繁殖速度极快，并且能够承受严苛的工业过程。研究人员将这些信息与对天然木质素降解菌的了解相结合。该研究成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。
由桑迪亚国家实验室的西玛·辛格博士领导的研究团队解决了将木质素转化为平台化合物过程中遇到的三大难题。第一个主要障碍是，大肠杆菌通常无法产生转化所需的酶。科学家们通常通过在发酵环中添加“诱导剂”来解决酶的产生问题。这些诱导剂虽然有效，但价格昂贵，因此并不适合生物炼制的概念。研究人员尝试了一种新思路：通过基因工程改造大肠杆菌，使用香草等木质素衍生物作为底物和诱导剂。这样就可以避免使用昂贵的诱导剂。然而，研究团队发现，香草并非理想之选，因为一旦木质素分解，就会大量产生香草，从而抑制大肠杆菌的功能，即产生毒性。但当他们对细菌进行基因工程改造后，这反而成为了他们的优势。在新方案中，对大肠杆菌有毒的化学物质被用来启动复杂的“木质素增值”过程。一旦香草存在，它就能激活酶，细菌便开始将香兰素转化为所需的儿茶酚。此外，由于该系统具有自调节机制，香兰素的含量永远不会达到毒性水平。第三个也是最后一个问题是效率。由于转化系统缓慢且被动，研究人员从其他细菌中寻找更高效的转运蛋白，并将其导入大肠杆菌，从而加快了转化过程。通过此类创新解决方案克服毒性和效率问题，有助于使生物燃料的生产更加经济。此外，去除外部诱导剂并引入自调节机制，可以进一步优化生物燃料的生产过程。
众所周知，一旦木质素被分解，它就有能力提供或更确切地说“赋予”有价值的平台化学品，然后可以将其转化为尼龙、塑料、药物和其他目前从石油中提取的重要产品，这是一种非- 可再生能源。 这项研究是朝着研究和开发具有成本效益的生物燃料和生物生产解决方案迈出的一步。 使用生物工程技术，我们可以生产更大量的平台化学品和其他几种新的最终产品，不仅可以用于细菌大肠杆菌，还可以用于其他微生物宿主。 作者未来的研究将侧重于展示这些产品的经济生产。 这项研究对能源生产过程和扩大绿色产品的可能性范围产生了巨大影响。 作者评论说，在不久的将来，木质纤维素如果不能代替石油，肯定会补充石油。
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来源（S）
Wu W 等，2018。“构建具有自调控系统的大肠杆菌以实现木质素增值利用”，《美国国家科学院院刊》，115(12)。https ://doi.org/10.1073/pnas.1720129115
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