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新型生物催化劑促進秸稈產業(yè)化應用

2021-07-27 11:47:39 來源：中國科學報

木質纖維素的復雜結構和組成形成了天然拮抗降解作用的屏障。因此，如何實現木質纖維素高效、低成本的酶解糖化成為秸稈產業(yè)化應用的主要瓶頸問題之一。

近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所代謝物組學研究組成功開發(fā)出新型木質纖維素整合生物糖化（CBS）生物催化劑，CBS工藝有望以具有經濟實用性和可持續(xù)性的方式，將木質纖維素生物轉化帶入實際工業(yè)應用中，從而極大促進木質纖維素生物質資源的大規(guī)模應用。該工作日前在線發(fā)表于《生物資源技術》。

了解到，此前，該研究組在針對熱纖梭菌及纖維小體開展長期研究的基礎上，建立了全新的CBS策略。CBS采用基于纖維小體的新型生物催化劑，并以可發(fā)酵糖作為出口偶聯(lián)下游應用，具有顯著的靈活性和成本優(yōu)勢。

此外，研究組還進一步圍繞CBS技術特點開發(fā)出上下游工藝，從而形成從原料到高值產品的全鏈條工藝，這是我國科學家在國際上首次提出的具有自主知識產權的秸稈高值化轉化成套技術路線。

由于纖維素的水解物纖維二糖對纖維小體體系產生嚴重的反饋抑制，同時在CBS生物催化劑中，β—葡萄糖苷酶（BGL）的表達不可缺少，為此，代謝物組學研究組通過向熱纖梭菌中引入外源BGL，構建了兩代CBS生物催化劑，實現了纖維素到葡萄糖的高效轉化。然而，在熱纖梭菌中實現異源蛋白的高水平表達仍具有較大的挑戰(zhàn)性。另一方面，滿足CBS要求的BGL最優(yōu)表達水平及其與纖維小體的匹配規(guī)律也不清楚。

為了解決這些問題，研究人員開發(fā)出基于質粒骨架的高效異源表達方法，實現了BGL在熱纖梭菌中的高水平表達和外泌，獲得了第三代CBS生物催化劑，進而明確了胞外BGL與纖維小體活性的最佳比值應在5.5到21.6的范圍內。

不僅如此，研究人員還發(fā)現，盡管BGL對于提高CBS糖化效率至關重要，但過量的BGL表達及其通過I型cohesin-dockerin相互作用在纖維小體上的組裝，均會導致纖維小體活性降低，這不僅證實了BGL與纖維小體協(xié)同活性的重要性，更將有效指導下一步CBS生物催化劑的優(yōu)化和改良。

目前，基于構建的第三代CBS生物催化劑，研究組通過與企業(yè)的合作已經建成百噸級秸稈糖化中試示范，將進一步解決中試放大過程中的技術問題，開展CBS過程的生產成本估算和進一步的技術優(yōu)化。

標簽：木質纖維素酶解糖化秸稈產業(yè)化熱纖梭菌