综述：S型木质素高值化利用的生物催化与合成生物学策略

《International Journal of Biological Macromolecules》：Biocatalytic and synthetic biology strategies for S-type lignin valorization

　　• 木质素的难转化愈创木基（S）单元的生物转化有助于木质素的价值化利用。• 胞外解聚依赖过氧化物酶和漆酶等关键酶。• 通过O-脱甲基酶的酶工程应对富含甲氧基的挑战。• 代谢调控和人工智能辅助方法推动S-木质素的生物转化。• S型木质素单体的生物转化提高了目标产品的产率。## 引言木质素是继纤维素之后第二丰富的天然生物聚合物，也是最丰富的天然芳香族可再生聚合物，广泛存在于木材和农业秸秆等木质纤维素生物质中[1], [2]。尽管每年在造纸和生物炼制工业中作为副产物产生5000万至1亿吨木质素，但仅有不到2%的工业木质素被转化为高附加值产品，大部分则被当作低价值燃料燃烧或废弃[2], [3], [4], [5]。木质素是一种复杂的芳香族聚合物，由三种基本苯丙烷单元——对羟基苯基（H）、愈创木基（G）和紫丁香基（S）——通过自由基偶联形成[6], [7]。原生木质素的分子量估计在2500至10,000 g/mol之间[8], [9]。木质素单体根据其O-甲氧基基团的数量（分别为零、一或两个）被归类为H、G或S单元（图1a~b）[8]。植物木质素依据其H、G和S单体单元的组成比例不同，被系统分类为三种类型[10]。G型木质素在针叶树中占主导，主要由G单元组成并含少量H单元。G-和S型木质素是阔叶树的特征，其G/S单元比例约为1:1至3:1，取决于物种和组织类型。草本植物中的H-、G-和S型木质素含有H、G和S型单体，比例分别为5–10%、25–55%和25–45%（表1）[8], [11], [12]。H、G和S型单元的组成异质性进一步决定了单元间连接方式的分布和缩合程度，从而影响键断裂难度、解聚选择性以及木质素衍生芳香族产物的形成。在这些连接中，β-O-4键是原生木质素中最重要的连接方式，在针叶树中占所有连接的43–50%，在阔叶树中占50–65%，在草本植物中占74–84%[10], [13], [14]。这种复杂的三维结构增加了木质素的异质性，限制了木质素衍生物的高效解聚和生物转化（表1）[6], [8], [15]。除了这些一般结构特征之外，H、G和S型单体中甲氧基基团的数量和位置差异显著，深刻影响了它们对酶的易接近性以及下游转化中的代谢瓶颈（表2）。木质素价值化利用作为一种可持续资源利用策略，正日益受到关注（图1c~1d）。在典型的生物转化过程中，木质素聚合物首先通过化学、生物或化学-生物方法被解聚为较小的芳香族单体和寡聚物。随后，这些木质素衍生的芳香族化合物可通过微生物细胞工厂，经由"生物漏斗"作用被转化，即结构多样的底物被引导至中心芳香族中间体，并进一步升级为高附加值产品[16], [17], [18]。关键词共现网络进一步显示，当前木质素生物转化的研究主要涉及几个相互关联的主题，包括木质素降解与生物转化、生物质预处理与酶解以及木质纤维素生物质的分级分离，表明上游木质素加工与下游生物转化之间关系密切（图1d）。S型木质素以其3,5-二甲氧基取代的芳香环为特征，是许多阔叶树种中占主导的木质素单元，通常占总木质素组成的45–75%[8], [19]。S单元C5位置的甲氧基化通常减少了C5连接的缩合，这使富含紫丁香基的木质素有利于选择性解聚。紫丁香酸作为一种代表性的S型单体，含有两个甲氧基基团，通常需要在芳香环裂解和代谢漏斗化之前进行高效的O-脱甲基化[20], [21]。通过生物漏斗作用，紫丁香酸首先被转化为关键代谢中间体3-O-甲基没食子酸，随后转化为没食子酸等高附加值产品。这些化合物在化学、制药和农业领域具有重要的商业潜力[20], [22], [23]。本综述系统探讨了S型木质素单体的生物转化，并提出了一种集解聚、微生物代谢和产品合成于一体的级联策略。以往的综述广泛涉及木质素解聚或一般性的微生物价值化利用，而本工作将重点聚焦于甲氧基芳香族化合物、特别是S型单体带来的独特挑战。这些化合物的3,5-二甲氧基取代芳香环造成了关键的代谢瓶颈，其高效转化需要协调执行O-脱甲基化、芳香环裂解、辅因子再生和解毒等多个步骤。认识到O-脱甲基化是该级联反应中的限速步骤后，本综述进一步考察了酶工程、代谢调控和合成生物学驱动的途径重设计如何克服这一障碍。通过综合酶学、代谢工程和生物过程开发的最新进展，本综述提出了一个针对S型木质素可持续价值化利用的定向框架，用于工程化微生物细胞工厂。## 章节要点### 木质素聚合物的胞外解聚解聚是断裂木质素聚合物内连接的过程，将其复杂结构转化为有价值的低分子量化合物。这些衍生物包括芳香族醛、酮、酚及其他苯衍生物，以及脂肪族化合物[24], [25]。H、G和S型木质素单元之间的结构差异深刻影响其解聚行为（表2）。S型单元在3-和5-位置含有两个甲氧基基团，占据C5位点…### S型单体生物转化的关键酶S型单体主要来源于芥子醇，是木质素降解中一类典型的芳香族化合物，常见代表包括紫丁香酸、紫丁香醛、芥子酸、芥子酚（4-乙烯基紫丁香酚）和紫丁香酚[76], [77], [78]。在S型单体的生物转化过程中，O-脱甲基化是关键步骤，因为它能去除甲氧基取代基上的甲基，生成后续芳香环裂解所需的羟基化中间体。O-脱甲基酶是…### S型木质素衍生物代谢途径中的酶工程高效转化微生物的S型木质素衍生物往往依赖于脱甲基化、羟基化、环裂解和下游产物形成过程中关键酶的催化性能。酶工程策略包括定点突变、定向进化、结构引导设计，以及最近出现的机器学习辅助重设计，可解决底物特异性、催化效率和稳定性等方面的局限[113], [114]。这些方法…### 基因表达和途径通量的调控基因剂量调整和转录诱导是提高甲氧基芳香族化合物转化效率的重要代谢调控策略。与酶工程不同，这些方法不直接修改酶的序列或催化结构，而是通过提高细胞内关键酶的含量并增强途径通量来实现目的。通过增加奇异假单胞菌KT2440中vanAB基因的拷贝数，明显减少了丁香酸的积累，并提高了细胞内…### 没食子酸没食子酸是一种天然多酚类化合物，由苯环与三个羟基（-OH）对称地连接在3-、4-和5-位，并连有一个羧基（-COOH）构成。这种分子结构赋予没食子酸强极性，使其具有水溶性和生物活性。三个羟基的存在赋予其强抗氧化性能，使其能够清除自由基并抑制脂质过氧化。此外，羧基…### 结论S型木质素单体的生物转化为木质纤维素生物质的可持续利用提供了一条有前景的路线。近期研究阐明了O-脱甲基化、羟基化、脱羧和芳香环裂解背后的酶学机制，这些机制共同构成了紫丁香基化合物代谢的核心。结构生物学和酶工程的进展加深了我们对催化机制的理解，并扩大了相关酶的底物范围…### CRediT作者贡献声明**王玉露（Yu-Lu Wang）：** 撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、调查。**朱宏伟（Hong-Wei Zhu）：** 撰写——审稿与编辑。**宋新平（Xin-Ping Song）：** 调查。**王玉佳（Yu-Jia Wang）：** 调查。**李炳智（Bing-Zhi Li）：** 撰写——审稿与编辑。**刘志华（Zhi-Hua Liu）：** 撰写——审稿与编辑、指导。### 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本论文报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。### 致谢本研究得到国家重点研发计划（2023YFC3403500）、合成生物学国家重点实验室自主研究基金（HCZC-202602 A）以及福州市科技计划项目（2026-Y-014）的资助。