Lignin valorization to bioplastics with an aromatic hub metabolite-based autoregulation system
通訊作者：謝尚縣
發表雜志：nature communications
發表時間：2024.10.28
DOI：10.1038/s41467-024-53609-3
研究背景：
木質素是地球上最豐富的可再生資源之一，主要存在于植物細胞壁中，與纖維素和半纖維素一起構成木質纖維素。然而，由于其復雜的結構和頑固的抗性，木質素的轉化利用一直面臨巨大挑戰。隨著生物煉制技術的快速發展，將木質素轉化為高價值化學品，如可降解塑料，對于提升生物精煉的經濟性和可持續性具有重要意義。將木質素轉化為生物聚酯（如聚羥基丁酸酯PHB）的轉化過程需微生物同時具備芳香族化合物代謝和合成生物聚酯的能力。羅爾斯通氏菌（Ralstonia eutropha H16）因其代謝多樣性、高密度發酵能力和高聚酯積累能力成為生物聚酯生產模式菌株之一。
研究內容：
謝尚縣教授團隊首先測試了Ralstonia eutropha H16對木質素衍生的芳香族化合物的代謝能力，發現其無法代謝香草酸、異香草酸、香蘭素和 3,4-二羥基苯甲醛等芳香醛類物質；為增強Ralstonia eutropha H16對芳香醛物質的耐受性和代謝能力，引入甲醛解毒模塊和VanAB 去甲基化模塊，強化了其對木質素衍生的芳香族化合物的代謝能力。隨后，謝尚縣教授團隊根據細菌底物代謝分析和功能基因注釋，測試了6個基因簇；鎖定調控蛋白PcaQ，構建了基于芳香族樞紐原兒茶酸的自動調節（HMA）系統；HMA 系統集成了將木質素衍生的芳香族化合物轉化原兒茶酸所需的基因，PcaQ啟動子引導的功能基因的低水平泄漏表達將使宿主能夠將目標底物略微轉化為原兒茶酸，而產生的原兒茶酸會反饋給調控蛋白PcaQ，以增強受PcaQ啟動子調控的功能基因的表達強度，進一步促進靶底物轉化為樞紐代謝物原兒茶酸，同時實現對不同類型LDAs的自我增強調節。之后，謝尚縣教授團隊設計了調控蛋白PcaQ的突變體，對Met143、Arg145和 Asn146的三個位點進行飽和突變測試，發現PcaQR145K對低濃度原兒茶酸更加敏感；因此，選擇突變體PcaQR145K作為調控蛋白，用于構建HMA系統。最后，謝尚縣教授團隊為了測試設計的HMA 系統在混合芳香族化合物代謝中的功能，選擇香草酸、香蘭素、原兒茶酸、4-羥基苯甲酸、4-羥基苯甲醛和3,4-二羥基苯甲醛6 種木質素衍生的芳香族化合物混合物作為底物進行發酵。結果表明，24 h內香草酸、香蘭素、原兒茶酸和 4-羥基苯甲酸完全代謝，而4-羥基苯甲醛和3,4-二羥基苯甲醛在36 h內完全代謝。此外，使用從馬尾松生物質堿性預處理液中提取的木質素衍生的芳香族化合物進行發酵，96 h后PHB產量達到2.38 ± 0.22 g/L。
總結：
該研究通過構建基于原兒茶酸的自動調控系統，成功實現了木質素向可降解塑料的高效轉化，為木質素的高值化利用提供了新思路和新方法。未來，隨著合成生物學和生物煉制技術的不斷發展，有望將更多類型的木質素轉化為高值化學品，為可持續發展做出更大貢獻。
