顆粒在線訊：木質(zhì)素是由苯丙烷單元組成的復(fù)雜生物大分子，是地球上儲量最多的可再生芳香族化合物資源，利用木質(zhì)素制備芳香族化合物對木質(zhì)素高值化利用及提高木質(zhì)纖維素煉制的整體經(jīng)濟性均具有重要意義。但由于木質(zhì)素多樣的單體組成和化學鍵連接，將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為特定的芳香族化合物具有很大挑戰(zhàn)。目前將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為特定芳香族化合物的過程中通常需要多步驟連續(xù)反應(yīng)，不僅涉及高溫、高壓等反應(yīng)條件，而且需要多組反應(yīng)容器聯(lián)用。

近日，Science advances以標題為“Valorization of lignin components into gallate by integrated biological hydroxylation, O-demethylation, and aryl side-chain oxidation”報道了南京理工大學金明杰教授課題組在木質(zhì)素生物轉(zhuǎn)化方面的進展。在該工作中，作者通過整合生物源羥基化、去甲基化和芳香側(cè)鏈氧化反應(yīng)模塊至紅球菌細胞，實現(xiàn)了“一鍋法”將H-、G-和S-木質(zhì)素組分向沒食子酸的轉(zhuǎn)化。沒食子酸（Gallic acid）是一種廣泛應(yīng)用于食品、生物、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域的重要芳香族化合物。該研究為木質(zhì)素制備芳香族化合物提供了一條重要的生物轉(zhuǎn)化路線。

Fig. 1. Catalyzing G-/H-/S-type lignin components into gallate with multiple-step reactions and the integrated one-pot biocatalytic route reported in this study

（1）論文作者選擇了具有多種芳香化合物修飾和降解功能的紅球菌Rhodoccous opacus PD630為目標底盤細胞，為了使菌株能夠轉(zhuǎn)化多種木質(zhì)素源底物并累積沒食子酸，作者初步解析了R. opacus PD630中的沒食子酸降解關(guān)鍵酶，發(fā)現(xiàn)一種外二醇加氧酶為催化沒食子酸降解反應(yīng)第一步的關(guān)鍵酶。之后，作者通過對該酶基因進行阻斷使得目標菌株喪失了沒食子酸的降解能力。

（2）在阻斷沒食子酸降解途徑的基礎(chǔ)上，作者通過引入外源生物羥基化途徑實現(xiàn)了原兒茶酸向沒食子酸的轉(zhuǎn)化。繼而，基于R. opacus PD630菌株內(nèi)源的“生物漏斗”式的芳香族化合物降解途徑，進一步將H-型木質(zhì)素單體類似物對羥基苯甲酸和對香豆酸轉(zhuǎn)化為沒食子酸。

（3）針對G-型木質(zhì)素單體中含有一個甲氧基的結(jié)構(gòu)，作者利用R. opacus PD630中內(nèi)源的依賴非血紅素鐵氧化酶（Rieske nonheme iron monooxygenase）去甲基系統(tǒng)，通過去甲基化反應(yīng)和羥基化反應(yīng)將G-型木質(zhì)素單體類似物香草酸和阿魏酸轉(zhuǎn)化為沒食子酸。

（4）S-型木質(zhì)素單體中含有兩個甲氧基，而R. opacus PD630中內(nèi)源的去甲基系統(tǒng)不能有效催化S-型木質(zhì)素單體進行去甲基化反應(yīng)。為了解決此問題，作者引入外源四氫葉酸依賴型去甲基系統(tǒng)（H4folate-dependent O-demethylation system）實現(xiàn)了S-型木質(zhì)素單體類似物丁香酸向沒食子酸的高效轉(zhuǎn)化。

（5）為了轉(zhuǎn)化更多木質(zhì)素組分為沒食子酸，作者又通過強化內(nèi)源和引入外源的芳香側(cè)鏈氧化途徑將木質(zhì)素降解產(chǎn)物丁香醛和松柏醇高效地轉(zhuǎn)化為了沒食子酸。

（6）最后，作者以堿處理木質(zhì)素和堿裂解AFEX木質(zhì)素為底物進行測試，使用構(gòu)建的生物轉(zhuǎn)化體系分別獲得了0.407 g/g和0.630 g/g的沒食子酸得率。

Fig. 2. Integrated biocatalytic reactions involved in gallate production from lignin by R. opacus PD630-GA4.

總結(jié)

通過整合多種生物催化模塊至單個微生物細胞，不僅避免了木質(zhì)素催化轉(zhuǎn)化過程中多組反應(yīng)容器的使用和連續(xù)多步驟的操作，而且反應(yīng)條件相對溫和。本工作中構(gòu)建的生物催化系統(tǒng)能夠?qū)-、G-和S-型木質(zhì)素解聚產(chǎn)物高效地轉(zhuǎn)化為沒食子酸，為利用木質(zhì)素制備單一芳香族化合物提供了一條非常有潛力的煉制路線。

作者信息：

南京理工大學博士研究生蔡成固和許召賢副教授為該論文的共同第一作者，金明杰教授為該論文的通訊作者。該研究受到了國家自然科學基金和江蘇省自然科學基金的資助。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg4585