2024年4月19日-21日，第一届Green Carbon青年编委会生物方向研讨会暨“合成生物技术与绿色生物制造——高版本底盘工程”学术沙龙在青岛召开。山东大学林璐教授应邀出席并作题为“挖掘细菌辅酶-扩展绿色生物制造工具箱”的邀请报告。

挖掘细菌辅酶-扩展绿色生物制造工具箱

 背景介绍 

木质纤维素是地球上储量最丰富的可再生碳资源之一，木质素作为其组成的“三大素”之一，是一种丰富的陆源有机碳。木质素含有的芳香环，芳香族羟基和脂肪族羟基等组分，使其成为生物制造的重要原料。如何提高木质素的利用效率是当今世界各国关注的重点，而微生物驱动的木质素转化不仅对地球元素循环过程有重要影响，在生物资源利用中也表现出巨大的潜力。林璐教授介绍了利用细菌来完成木质素解聚，并且提高其利用效率的新思路与新方法。基于细菌对木质素的利用策略，整合了胞外催化和胞内利用两大维度，大大提升对木质纤维素的降解利用能力，很好的克服了木质素降解难、利用难的问题。林教授的研究探究了微生物驱动木质素转化新路径，开发了高效合成生物技术与绿色制造的新方法，开拓了增汇、减排的有效新途径。

林璐教授在“合成生物技术与绿色生物制造——高版本底盘工程”学术沙龙上作邀请报告

 报告内容 

木质素是可用于生物制造的丰富的陆源有机碳

木质素以三类环丙烷为单体，由不同的碳碳键，醚键聚合而成了高级的三维网状结构。木质素中富含芳香环，芳香族羟基，脂肪族羟基以及醌基活性基团，使其在生物制造方面具有较大潜力，可以作为制备食品添加剂、化学品、材料、燃料和保健品等的原料。另一方面，由于木质素组成复杂，且其各组分的含量随木质素类型不同而变化，没有固定的结构和分子量等，使其降解存在非常大的困难，是当今木质素利用的难点之一。

微生物解聚木质素

化学方法解聚木质素只能解聚出小分子化合物，产品比较单一。而微生物既是分解者，又是合成者，在木质素的综合利用中具有独特的优势。首先，微生物可以分泌出一系列解聚酶，可将木质素解聚成芳香族单体或寡聚体。其次，微生物可以将木质素的降解产物运输到胞内，在胞内继续完成一系列的代谢途径，以CO₂形式释放或者合成其他代谢产物，比如乙醇、PHA等，最终将这些产物储存在胞内或者分泌到胞外。

传统上认为木质素解聚以真菌为主，如真菌产生的漆酶（Laccase），染料脱色过氧化物酶（DyP），锰过氧化物酶（MnP）等都可以解聚木质素，但随着研究逐渐深入，发现细菌在解聚木质素方面也起到了作用。林教授课题组前期发现了一株假单胞菌能合成B型染料脱色过氧化物酶（DyPB），可以解聚木质素产生小分子化合物，拓展了对微生物降解木质素的认知。

研究组进而对NC2突变通过上调莽草酸激酶表达提高聚球藻高温高光耐受能力的机制进行深入解析，结合转录组、蛋白组以及光合生理参数分析发现，该突变引发聚球藻光合和固碳系统的显著变化，减少了光能的过度吸收、增强了细胞循环电子流和氧化磷酸化活性并强化了糖原和蛋白合成，最终保证高效而稳定的光合固碳过程。

该研究发展了新型蓝细菌超突变系统并通过聚球藻高温高光耐受性改造证实了其有效性，为复杂光合生理表型的优化提供了可靠的工具；研究中所发现的莽草酸激酶表达提升引发蓝细菌高温高光耐受能力优化的现象，丰富了对光合生理代谢的认识，为未来高效蓝细菌底盘的人工设计提供了新的启示。

构建人工DyPB酶系复合物（SEC）促进木质素解聚

研究表明DyPB解聚木质素是和活性氧密切相关的。对于有相同酶活的菌株， DyPB酶活和细胞生长与木质素解聚利用相关性较低；当引入活性氧时，它们与木质素解聚利用的相关性大大增加。这表明不仅存在解聚酶，还有一系列未知的“暗物质”辅助解聚酶发挥作用。林教授课题组的研究表明，细菌周质中存在的一些辅酶对DyPB起到了协同作用，可以实现更好的木质素解聚效果。但此前对辅酶是哪些，以及与主酶的协同机制仍不清楚。

林教授进一步在三个层面探究了该菌的周质蛋白质组：第一个层面，鉴定了木质素诱导表达周质蛋白；第二个层面，提高DyPB表达量，探索在非木质素的情况下蛋白表达情况；第三个层面，在DyPB和木质素共同诱导下探究蛋白表达情况，为揭示木质素降解机制提供了重要线索。

醌氧化还原循环在真菌中是一个经典系统，在木质素氧化分解中占比很高，但一般认为细菌没有此体系。另外，细菌中的漆酶，过氧化物酶，氧化还原电势比较低，不足以在细菌中启动反应。林教授的研究发现，DyPB与辅酶参与醌氧化还原循环，经过一系列氧化还原循环之后伴随产生羟基自由基，可以作为氧化剂攻击木质素，并在此基础上构建人工DyPB酶系复合物（SEC），该系统还包括进攻解聚酶，和防止再聚合的酶。林教授构建的SEC系统和天然酶效果大致相同，并解决了产物再聚合的问题。

SEC-假单胞菌协同促进木质素降解

微生物细胞具有强大的代谢能力，却因细胞膜的阻隔接触不到木质素降解产物。一方面，解聚木质素的酶和木质素解聚产物的跨膜运输都是耗能的过程，这会导致细胞能量供给不平衡；另一方面，木质素解聚产物如果在胞外积累，对降解酶系统也会产生反馈抑制，阻碍对木质素的降解效率。因此，将基于DyPB的酶系复合物（SEC）和假单胞菌对木质素解聚物的利用能力结合起来，对实现木质素的综合解聚利用具有重要的意义。林教授的研究成功实现了该设想：1.DyPB直接攻击碳碳键，并通过醌氧化还原循环攻击解聚木质素。2.SEC系统可以保护产物避免再聚合。3.酶作为氧化还原保护剂，保护细胞免受强氧化力伤害。4.胞外解聚木质素产生的代谢产物运输到胞内，进行下游代谢。因此，SEC-假单胞菌协同作用，同时具备了胞外催化和胞内代谢能力，可以综合提升木质素降解能力。

专家介绍

林璐 教授

林璐，山东大学海洋研究院教授，博士生导师，Green Carbon青年编委。主要从事微生物驱动化学元素循环、微生物代谢及微生物能源相关研究。以海洋微生物为研究对象，运用（宏）组学技术、生物信息学分析技术、系统生物学手段与代谢工程技术相结合，开展海洋微生物代谢和组学研究。探究海洋碳、氮元素循环的微生物参与过程和效应，揭示微生物参与海洋元素循环的机制。目前正在开展的工作主要包括（1）近海木质素代谢菌介导的碳循环机制及对环境因子的响应和（2）木质纤维素代谢产能菌遗传解析两部分。在Environl Microbiol，Appl Environ Microbiol，Bioinformatics，Green Chemistry，Mol Ecol Resour，Biotechnol Biofuels，Biotechnol ADV，PLoS Genet等国际著名学术期刊发表论文58篇。被引次数八百余次，H指数15。特邀国内外大型学术报告数十场。

 原文链接 

林璐教授与Green Carbon丨挖掘细菌辅酶-扩展绿色生物制造工具箱

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