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(chǔ)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(duì)木質(zhì)素高值化利用及提高木質(zhì)纖維素?zé)捴频恼w經(jīng)濟(jì)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(xué)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(guò)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(biāo)題為“Valorization of lignin components into gallate by integrated biological hydroxylation, O-demethylation, and aryl side-chain oxidation”報(bào)道了南京理工大學(xué)金明杰教授課題組在木質(zhì)素生物轉(zhuǎn)化方面的進(jìn)展。在該工作中，作者通過(guò)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(xì)胞，實(shí)現(xiàn)了“一鍋法”將H-、G-和S-木質(zhì)素組分向沒(méi)食子酸的轉(zhuǎn)化。沒(méi)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(biāo)底盤(pán)細(xì)胞，為了使菌株能夠轉(zhuǎn)化多種木質(zhì)素源底物并累積沒(méi)食子酸，作者初步解析了R. opacus PD630中的沒(méi)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(méi)食子酸降解反應(yīng)第一步的關(guān)鍵酶。之后，作者通過(guò)對(duì)該酶基因進(jìn)行阻斷使得目標(biāo)菌株喪失了沒(méi)食子酸的降解能力。

（2）在阻斷沒(méi)食子酸降解途徑的基礎(chǔ)上，作者通過(guò)引入外源生物羥基化途徑實(shí)現(xiàn)了原兒茶酸向沒(méi)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(jìn)一步將H-型木質(zhì)素單體類(lèi)似物對(duì)羥基苯甲酸和對(duì)香豆酸轉(zhuǎn)化為沒(méi)食子酸。

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

（4）S-型木質(zhì)素單體中含有兩個(gè)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(jìn)行去甲基化反應(yīng)。為了解決此問(wèn)題，作者引入外源四氫葉酸依賴(lài)型去甲基系統(tǒng)（H4folate-dependent O-demethylation system）實(shí)現(xiàn)了S-型木質(zhì)素單體類(lèi)似物丁香酸向沒(méi)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(méi)食子酸，作者又通過(guò)強(qiáng)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(méi)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(jìn)行測(cè)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(méi)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(guò)整合多種生物催化模塊至單個(gè)微生物細(xì)胞，不僅避免了木質(zhì)素催化轉(zhuǎn)化過(guò)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(duì)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(méi)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(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金和江蘇省自然科學(xué)基金的資助。

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