综述：木质素价值化的革命性进展：脱甲基化、甲基化及甲基代谢的关键突破

（编辑推荐）本综述系统阐述了木质素生物价值化中脱甲基化（demethylation）、甲基化（methylation）与甲基代谢（methyl metabolism）的酶学机制与代谢路径，揭示了克服木质素异质性瓶颈的关键策略。通过解析Rieske氧酶（ROs）、细胞色素P450（P450s）和四氢叶酸（THF）依赖型脱甲基酶的作用，以及S-腺苷甲硫氨酸（SAM）依赖的O-甲基转移酶（OMTs）的合成潜力，提出了基于机器学习辅助酶工程和合成生物学的甲基循环优化方案，为木质素基生物经济提供新范式。

　　

木质素价值化的生物转化挑战

作为植物细胞壁中占比15–30%的烷基芳香聚合物，木质素年产量达1.5亿吨，但其复杂的三维网络结构和由β-O-4、α-O-4等键连接的异质性单元（H/G/S型）严重阻碍生物利用。微生物如Pseudomonas putida虽能降解低分子量芳香物，但木质素衍生物中普遍存在的甲氧基（1.24–24.1%）成为限速步骤——O-脱甲基化是释放可再生碳的关键“钥匙”。

芳香O-脱甲基化的酶学武器库

细菌通过三类酶系统破解甲氧基屏障：Rieske非血红素铁氧酶（ROs）通过[2Fe-2S]簇催化开环；细胞色素P450（P450s）依赖血红素辅基氧化；四氢叶酸（THF）依赖型脱甲基酶则直接转移甲基至叶酸载体。真菌褐腐担子菌还能通过过氧化物酶（peroxygenases）实现高分子木质素的直接脱甲基化。最新发现的GcoAB双组分P450系统对愈创木酚的催化效率达传统酶的17倍，但拓宽底物谱仍需定向进化。

O-甲基转移酶的合成潜能

在木质素合成中，S-腺苷甲硫氨酸（SAM）依赖的O-甲基转移酶（OMTs）主导G/S单元形成。54%的已知甲基转移酶属于OMTs，如COMT（咖啡酸OMT）通过保护芳香环C-5位增强热稳定性。工程化OMTs已用于合成香兰素和甲基化黄酮，但天然酶的窄底物适应性亟待结构引导的理性设计突破。

甲基循环的代谢闭环策略

脱甲基化产生的甲醇、甲醛等C1毒素可通过甲醛脱氢酶（FLD）和甲酸脱氢酶（FDH）转化为CO₂，或经THF途径再生成SAM实现甲基循环。在大肠杆菌中构建的“甲醛呼吸”模块使碳利用率提升38%，而罗尔斯通菌（Ralstonia eutropha）的核酮糖单磷酸（RuMP）途径能同化甲醇为聚羟基脂肪酸酯（PHA）。

前沿生物技术的颠覆性应用

机器学习驱动的酶工程（如AlphaFold2预测P450底物口袋）联合CRISPR-Cas9基因组编辑，显著加速了脱甲基酶_GcoAB的迭代优化。合成生物学模块化设计使甲基代谢流重定向至目标产物，如将Pseudomonas putida的β-酮己二酸途径与芳香醛脱氢酶偶联，实现从木质素到顺,顺-己二烯二酸（ccMA）的高效转化。

木质素生物经济的未来图景

整合多组学分析和动态代谢通量模型，将推动甲基代谢网络的全链条优化。通过定向进化OMTs拓宽其催化谱，并耦合光酶催化等新兴策略，有望实现木质素到高值芳香化合物的规模化生产，最终构建“木质素精炼厂”的绿色产业模式。