［本站讯］近日，山东大学国家糖工程技术研究中心王倩教授课题组在木质素资源高效生物转化方面取得重要进展，相关研究成果以“Engineering a robust and autonomous biological funneling for efficient valorization of lignin-related aromatics”为题发表在国际顶级期刊Nature Communications。糖工程技术研究中心博士生胥健萍为论文第一作者，王倩教授和微生物改造技术全国重点实验室祁庆生教授为论文共同通讯作者，山东大学为第一作者单位和通讯单位。
木质素是自然界中最丰富的可再生芳香族聚合物之一，约占植物细胞壁干重的15%–40%。然而，由于其结构高度异质、降解路径复杂，传统转化过程效率低下，大部分木质素仍以燃烧或低值利用方式被消耗，造成显著的碳资源浪费。如何高效、可控地将木质素相关芳香族化合物转化为高值产品，是一个兼具科学挑战与产业价值的难题。
图1.基于分层与多输入自主动态调控系统的优化框架。
研究团队以进化与自主动态调控为双轮驱动，赋予谷氨酸棒状杆菌高效处理复杂芳香族原料的能力。首先系统解析了内源生物漏斗通路的代谢瓶颈，明确下游PobA与VanAB为限速关键；通过适应性实验室进化，获得耐受80 mM芳香族底物的高抗逆菌株，耐受性较野生型提升约3倍。基因组重测序揭示其耐受性源于胞外多糖合成上调、MMPL外排泵激活及LexA介导的SOS响应解除三者的协同作用。在此基础上，团队解析了内源芳香族响应转录因子网络，构建覆盖多代谢节点的生物传感器体系，并引入QF/QUAS系统增强信号。最终设计出两层架构的分层多输入自主动态调控系统——第一层感知底物调控上游β-氧化，第二层感知中间体调控下游羟化与O-去甲基化，实现了从静态过表达到需求驱动型代谢调控的跨越。
自主调控系统以原儿茶酸为模型产物，在单一及混合底物条件下均实现>99.9%的接近完全转化。5L发酵罐中原儿茶酸产量达53.40g/L、生产强度1.27g/L/h，均为木质素相关底物报道最高值；进一步重定向至顺，顺-粘康酸和β-酮己二酸，产量分别达51.90g/L和38.33g/L，展示了良好模块扩展性。在玉米秸秆碱预处理液中，对香豆酸和阿魏酸12小时内完全消耗，转化效率>99%，证实其具有对真实工业原料组成波动的良好适应性。
该研究通过整合适应性进化、生物传感器与分层动态调控等技术，构建了可自主运行的木质素芳香化合物生物转化体系，在底物毒性与通量失衡方面取得系统性突破，为木质素高值化利用提供了普适性设计框架，也为复杂底物体系的自主生物制造提供了可参考的路径。为木质素这一“沉睡的碳资源”的转化利用提供了技术支撑。
图2.分层自主生物漏斗系统多产物合成能力与放大应用验证。
该项研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及微生物改造技术全国重点实验室联合项目基金的资助。山东大学生命环境研究公共技术平台为本工作提供了重要支持。
