《Biotechnology Advances》：Decoding the landscape in biomanufacturing of xylose: metabolic bottlenecks and computation-assisted strategies
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木糖衍生产品的分类以及针对特定代谢目标类别的最优工程框架的识别。
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对多种木糖代谢途径在
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木糖衍生产品的分类以及针对特定代谢目标类别的最优工程框架的识别。
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对多种木糖代谢途径在生物制造中的固有优势和局限性的全面评估。
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系统分析用于克服木糖代谢途径中固有瓶颈的计算解决方案。
引言
纤维素主要包含纤维素、半纤维素和木质素，常见于秸秆、木材废物以及其他植物固体废弃物中。它是地球上最丰富且最廉价的可再生资源，其主要成分是葡萄糖（60%–70%），其次是木糖（30%–40%）（Moysés等人，2016年）。生物质可以通过水解和发酵生产高价值酒精、酯类、有机酸和生物基聚合物材料，具有显著的利用价值（Zheng等人，2021年）。然而，微生物发酵通常以葡萄糖为主要碳源，只有少数微生物具备天然的木糖代谢途径，能够同时利用木糖和葡萄糖。这些微生物通常存在碳代谢物抑制（CCR）现象，更倾向于利用葡萄糖而非木糖（Sonnleitner，2025年）。同时，微生物对木糖的运输效率远低于对葡萄糖的运输效率（Taveira等人，2024年）。因此，从纤维素中转化木糖受到效率低下、代谢宿主范围有限以及产物同质性问题的制约，严重限制了木糖资源的充分利用。
尽管进行了 pathway 工程改造，传统的试错方法仍难以克服内在的热力学限制、严重的氧化还原失衡以及限速酶的活性低下问题。因此，计算辅助策略（特别是用于新药酶发现和基因组规模代谢模型（GSMMs）的机器学习方法）已成为合理设计和消除木糖生物制造瓶颈的关键工具。本文综述了常见的木糖代谢途径：木糖异构酶（XI）途径、木糖还原酶-木糖醇脱氢酶（XR-XDH）途径、Weimberg 途径和 Dahms 途径，详细介绍了这些途径产生的代表性产物、遇到的代谢瓶颈以及所采用的工程策略。
章节片段
XI 途径
XI 途径主要存在于大肠杆菌（Escherichia coli）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和放线菌（如Actinoplanes missouriensis）等微生物中。该途径通过 XI 酶将木糖转化为 D-木酮糖，后者再由木酮糖激酶（xylulokinase）磷酸化为木酮糖-5-磷酸（图 1）。这一过程随后通过戊糖磷酸途径（PPP）整合到细胞代谢中。
计算辅助酶工程
根据对木糖代谢途径的讨论，我们发现木糖代谢普遍存在关键酶活性不足的问题。因此，解决这一问题的主要方法是发现并改造具有更高催化活性的目标酶。
结论
在利用木糖作为高价值化合物生物合成的主要或补充碳源方面已经取得了显著进展。然而，仍存在几个关键瓶颈，包括碳代谢物抑制（CCR）、由辅因子偏好引起的氧化还原失衡以及由于限速酶活性低导致的代谢毒性问题。此外，当前的遗传策略往往缺乏有效优化代谢流所需的整体调控视角。
在准备本稿时，作者使用了 ChatGPT 和 Gemini 作为校对工具来改进语言表达。所有经过 AI 修改的文本均由作者根据需要进行审核和编辑，作者对出版内容负全责。此外，部分图表中的图标是使用 Gemini 生成的。
CRediT 作者贡献声明
Luheng Zou：概念构思、研究、可视化、初稿撰写、审阅与编辑。 Ahmed K. Rashwan：初稿撰写、审阅与编辑。 Vahid Fozi：审阅与编辑。 Zineb Ould Yahia：审阅与编辑。 Lianghua Xie：审阅与编辑。 Wei Chen：概念构思、项目管理、监督、审阅与编辑、资金争取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系。
致谢
本工作得到了浙江省自然科学基金（LD26C200001）和宁波市“创新 Yongjiang 2035”重点研发计划（2025Z234）的资助。
Luheng Zou|Ahmed K. Rashwan|Vahid Fozi|Zineb Ould Yahia|Lianghua Xie|Wei Chen
