工程化恶臭假单胞菌规模化生产2,4-吡啶二甲酸（PDCA）用于生物基塑料的可持续制造

这篇研究报道了通过基因工程改造恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida ligAB）实现木质素高效转化为2,4-吡啶二甲酸（PDCA）的突破性进展。研究通过优化诱导条件将PDCA摩尔转化率提升至77%，并在30L规模反应器中实现390 mg/L/h的产率。创新性地采用混合培养策略（联合Rhodococcus jostii ΔpcaHG）使木质素转化效率提升19倍，为生物基塑料替代石油基对苯二甲酸提供了关键技术路径。

　　

工程菌株的代谢重构与PDCA高效合成
通过染色体整合来自Sphingobium lignivorans SYK-6的ligAB基因，研究者成功将P. putida KT2440的PCA代谢途径从β-酮己二酸途径（β-ketoadipate pathway）转向PDCA合成。关键酶protocatechuate-4,5-dioxygenase（LigAB）催化PCA开环形成4-羧基-2-羟基粘康酸半醛（CHMS），后者在铵离子存在下自发环化生成PDCA。实验数据显示，延长诱导时间至15小时可使ligAB表达量显著提升，PDCA摩尔转化率从43%跃升至77%。

30L规模生物反应器的工艺优化
在放大过程中采用两阶段策略：先以葡萄糖培养工程菌（OD₆₀₀~0.1起始），再切换为静息细胞转化体系。通过精确控制pH 7.5（LigAB最适pH）和0.8 g/L/h的PCA恒速补料，实现1.9 g/L PDCA的稳定输出。值得注意的是，培养基中铁离子（FeSO₄·7H₂O）浓度需严格控制在0.1 g/L以下，过高会导致PCA-Fe复合物形成而降低底物利用率。

木质素预处理技术的系统评估
比较氢氧化钠（SH）木质素、硫酸盐（Kraft）木质素和小麦秸秆三种原料发现，SH木质素经"碱+热"预处理（pH13+120°C）效果最佳。该处理使G/H型木质素单元释放出原儿茶酸前体——香草酸和4-羟基苯甲酸，最终获得81 mg/L P(D)CA（PDCA+PCA总和）。分子量分析显示，低分子量（<5kDa）组分更易被微生物利用，这解释了SH木质素优于Kraft木质素（含更多交联结构）的原因。

合成微生物菌群的协同效应
创新性地将P. putida ligAB与R. jostii ΔpcaHG按1:3比例混合培养，使PDCA产率从0.6 mg/g/h提升至1.9 mg/g/h。机理研究表明：①R. jostii通过分泌Dyp2类木质素过氧化物酶促进聚合物解聚；②其pcaHG基因敲除阻断了PCA进入β-酮己二酸途径，确保底物定向流向PDCA合成。这种分工协作模拟了自然界木质素降解菌群的功能分配。

生物基塑料单体的产业化前景
作为对苯二甲酸的生物基替代品，PDCA基聚酯（如PEPDCA）具有媲美PET的机械性能。研究测算显示，当前工艺每吨PDCA需消耗约20吨木质素原料，通过进一步优化菌株（如引入芳香醛脱氢酶）和开发原位分离技术（如反应萃取），有望将成本降至与石油基路线相当。该技术为实现"双碳"目标下的塑料产业转型提供了新范式。