微生物细胞工厂的定制化开发：推动木质纤维素生物质高效转化的工业生物技术革新

【编辑推荐】本研究针对木质纤维素生物质转化中酶成本高、木质素抑制等瓶颈问题，系统综述了微生物细胞工厂（MCFs）在整合生物加工（CBP）中的关键作用。通过理性菌株工程、代谢通路优化和蛋白工程技术，研究人员开发出能同步产酶-水解-发酵的定制化MCFs，为生物炼制实现木质素全组分利用提供了创新解决方案，对推动第二代（2G）生物燃料商业化具有重要意义。

　　

在化石能源枯竭和碳中和目标的双重压力下，如何将农业废弃物等木质纤维素生物质（LCB）转化为高附加值产品，成为工业生物技术领域的核心挑战。尽管LCB含有高达70%的可发酵糖类，但其复杂的三大组分——纤维素、半纤维素和木质素相互缠绕形成的顽固结构，使得传统生物转化过程需要昂贵的酶制剂和多重处理步骤。更棘手的是，占生物质15-30%的木质素不仅阻碍水解酶接触碳水化合物，其降解产物还会抑制微生物生长，导致第二代（2G）生物燃料生产成本居高不下。

针对这一难题，巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）资助的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表综述，系统阐述了微生物细胞工厂（Microbial Cell Factories, MCFs）作为生物炼制核心引擎的技术突破。研究指出，通过合成生物学手段改造的大肠杆菌（E. coli）、酿酒酵母（S. cerevisiae）等微生物底盘，已能实现从木质纤维素到生物燃料、医药中间体等200余种产品的转化。特别是整合生物加工（Consolidated Bioprocessing, CBP）技术的突破，使产酶、水解和发酵三步反应能在单一反应器中同步完成，显著降低了生产成本。

关键技术包括：1）采用CRISPR-Cas9等基因编辑工具构建重组菌株；2）通过蛋白质工程增强纤维素酶（cellulase）的热稳定性；3）开发固定化细胞系统缓解木质素抑制；4）优化调控网络提升异源代谢通路效率。研究团队特别关注了来自农业废弃物处理的微生物样本，筛选出具有天然木质素降解能力的链霉菌（Streptomyces）等本土菌种作为改造起点。

【All-rounder native microbial biocatalysts in biorefineries】
研究发现，天然微生物催化剂如粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）能分泌完整的木质纤维素降解酶系，但产量不足。通过过表达转录调控因子ClrB，可使里氏木霉（Trichoderma reesei）的纤维素酶产量提升3倍。

【Rational strain engineering】
采用代谢通量分析（MFA）技术，研究人员在恶臭假单胞菌（P. putida）中重构芳香化合物降解途径，使对香豆酸的转化效率达到理论产量的92%。

【Role of crop MCF in biomass valorization】
构建的工程化谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）能同时利用葡萄糖和木糖，将玉米秸秆转化为乳酸的光学纯度提升至99.9%。

【MCF for the production of hydrolytic enzymes】
在酿酒酵母中引入真菌来源的纤维小体（cellulosome）基因簇，使甘蔗渣水解效率提高40%，且无需外加酶制剂。

【Role and potential integration of lignin】
通过定向进化获得的漆酶变体LacA-215，能在pH 3.5条件下保持80%活性，成功用于木质素解聚生成香兰素。

结论部分强调，当前MCFs已实现从克级到吨级的工业放大，如杜邦公司利用工程酵母年产10万吨1,3-丙二醇。但木质素的高值化利用仍是瓶颈，未来需开发能同步转化芳香族化合物的超级菌株。该研究为生物炼制提供了从菌种设计到工艺集成的全链条解决方案，据测算可使2G乙醇生产成本降低37%，对实现联合国2030可持续发展目标具有战略意义。