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在木质纤维素生物质利用中，Rhodococcus jostii RHA1 无法利用木糖转化为脂质。研究人员开展了利用适应性实验室进化（ALE）改造该菌株的研究。结果显示，ALE-xyl 菌株能高效利用木糖产脂质，还可同时消耗葡萄糖和木糖。这为工业生物油脂生产提供了新途径。
木质纤维素作为地球上储量丰富的可再生资源，其水解产物中的木糖是一种极具潜力的碳源。然而，在微生物利用木质纤维素生产生物燃料的过程中，许多具有工业应用前景的微生物却无法有效代谢木糖，这成为了限制生物燃料大规模生产的一大瓶颈。就拿 Rhodococcus jostii RHA1 来说，它虽能利用多种碳源积累三酰甘油（triacylglycerols，可转化为生物燃料），但却在木糖利用上 “栽了跟头”。这一缺陷极大地限制了其在糖化木质纤维素生物质发酵生产生物燃料中的应用。为了突破这一困境，来自西班牙 Consejo Superior de Investigaciones Científicas（CSIC）和 Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) 的研究人员开展了一项意义重大的研究。他们通过适应性实验室进化（Adaptive Laboratory Evolution，ALE）技术对野生型 R. jostii RHA1 进行改造，成功使其获得了代谢木糖的能力。该研究成果发表在《Journal of Biological Engineering》上，为木质纤维素生物质的高效利用和生物燃料的生产开辟了新的道路。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下关键技术方法：一是 ALE 技术，通过在含木糖的培养基中对 R. jostii RHA1 进行多轮培养和筛选，使其逐渐适应并高效利用木糖；二是转录组分析，对 ALE-xyl 菌株在葡萄糖或木糖培养基中生长时进行转录组测序，以探究其基因表达变化；三是多种酶活性检测和代谢产物分析技术，如检测 xylose reductase 活性，利用 HPLC 测定糖类和代谢产物含量等。
下面来详细看看研究结果：
- Evolving R. jostii RHA1 to metabolize xylose：研究人员将 R. jostii RHA1 接种在以木糖为唯一碳源和能源的培养基中进行培养。经过多轮传代培养，成功筛选出一株名为 ALE-xyl 的克隆菌株。该菌株在含木糖的培养基上生长效率极高。进一步研究发现，ALE-xyl 菌株代谢木糖的能力具有可逆性，在富含营养的培养基中培养后，其利用木糖的能力会逐渐丧失，这表明该能力可能源于可逆的表型适应。
- Xylose consumption by ALE-xyl strain：将 ALE-xyl 菌株与含有木糖异构酶途径的重组菌株 R. jostii RHA1 (pNVSxylABatf1) 进行对比。结果显示，ALE-xyl 菌株对木糖的消耗速度更快，且能产生更多的脂质。在以木糖为唯一碳源的培养基中，ALE-xyl 菌株的脂质含量达到了 54%，而重组菌株仅为 19%。此外，研究还发现，培养基的 pH 值对菌株利用木糖的过程影响显著，当 pH 值低于 5 时，菌株生长停止。
- Growth of the ALE-xyl strain in a lignocellulosic-like hydrolysate：为了模拟实际生产中的木质纤维素水解液环境，研究人员用含有葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的合成培养基培养 ALE-xyl 菌株。结果令人惊喜，该菌株能够在葡萄糖存在的情况下代谢木糖，且葡萄糖不会抑制木糖的消耗，阿拉伯糖也不会干扰葡萄糖和木糖的代谢。不过，在此培养基中，ALE-xyl 菌株的脂质产量略低于以木糖为单一碳源时的产量，但仍达到了 60%。
- Transcriptomic analysis：对 ALE-xyl 菌株在葡萄糖或木糖培养基中生长时进行转录组分析，发现其在木糖培养基中生长时，一个名为 pen operon（RHA1_ro02898 – RHA1_ro02909）的假定操纵子显著上调表达。该操纵子可能参与戊糖代谢，其中包含编码 xylulokinase 的基因 penH（RHA1_ro02901），以及一个与戊糖转运相关的 ABC 转运蛋白基因 penABC。此外，分析还表明木糖可能通过 reductase pathway 代谢，R. jostii RHA1 中存在多个可能具有 xylose reductase 活性的酶编码基因，如 RHA1_ro04589 等。
- Assay of xylose reductase activity：通过实验检测到 ALE-xyl 菌株粗提物中存在 xylose reductase 活性，且能检测到少量的 xylitol，这进一步证实了木糖可通过 reductase pathway 转化为 xylitol。
研究结论和讨论部分指出，本研究成功利用 ALE 技术使 R. jostii RHA1 获得了代谢木糖的能力。与传统的基因工程方法相比，ALE 技术无需引入外源基因，避免了转基因生物（GMOs）在应用中的诸多限制。ALE-xyl 菌株不仅能够高效利用木糖生长和生产脂质，还能同时利用葡萄糖和木糖，且不存在葡萄糖对木糖代谢的抑制作用，这为利用糖化木质纤维素生物质生产工业生物油脂提供了一种极具潜力的微生物菌株。此外，研究还揭示了 R. jostii RHA1 中隐藏的戊糖代谢途径，为深入理解微生物代谢机制提供了新的视角。不过，对于 pen operon 的具体功能以及木糖代谢过程中的一些细节问题，仍有待进一步研究。总体而言，该研究成果为木质纤维素生物质的生物转化和生物燃料生产领域带来了新的突破和发展机遇，有望推动相关产业的进步。
