研究開發出增強纖維素與半纖維素降解能力的整合生物糖化工程菌株

　　熱纖梭菌具有的纖維小體多酶復合體，是目前自然界中已知最高效的纖維素降解體系。熱纖梭菌的纖維素降解酶系中缺少外泌的β-葡萄糖苷酶（BGL），導致纖維二糖對纖維小體反饋抑制。同時，熱纖梭菌半纖維素酶系也較弱，不僅影響半纖維素的降解水平，木聚糖還會進一步抑制關鍵纖維素酶Cel48S的活性，從而制約整體纖維素降解效率。因此，熱纖梭菌仍需要系統的基因工程改造，以提升其降解纖維素和半纖維素的效率。

　　中國科學院青島生物能源與過程研究所研究團隊此前通過向熱纖梭菌引入外源BGL（CaBglA），解決了纖維二糖的反饋抑制問題，構建了三代CBS工程菌株，顯著提升了纖維素糖化性能。近期，研究團隊進一步聚焦工程菌株遺傳穩定性和半纖維素降解能力不足的問題，構建了第四代CBS工程菌株。

　　研究團隊通過基因組整合CaBglA基因構建了工程菌株GB2，相較于第三代基于質粒表達CaBGL的菌株，GB2具備不依賴于抗生素、穩定高效的纖維素降解能力，實現了高達94%的纖維素-葡萄糖轉化率。研究團隊進一步向GB2中引入來自于明黃梭菌的外源雙功能木聚糖酶/木糖苷酶CcXyl0074，以進一步提升熱纖梭菌的半纖維素降解能力。結果表明，以預處理的玉米秸稈為底物，質粒表達CcXyl0074的菌株在3天內可將84%的木聚糖轉化為單體木糖，說明在保持纖維素高效轉化的前提下，CcXyl0074的引入顯著增強了熱纖梭菌的半纖維素降解能力。

　　此外，研究團隊將CcXyl0074和CaBGL共同整合到基因組中，獲得工程菌株GBX1，實現了纖維素酶與木聚糖酶活性的同步增強，以及纖維素和半纖維素組分的高效協同降解，最大糖化速率可達GB2的1.5倍。研究人員還對糖化培養基的配方進行了優化，將培養基成本降低了87.3%。

　　研究開發的工程菌株為木質纖維素生物煉制提供了性能更優的全細胞生物催化劑，為整合生物糖化技術的產業化應用奠定了基礎。

　　相關研究成果以Effective conversion of lignocellulose to fermentable sugars using engineered Clostridium thermocellum with co-enhanced cellulolytic and xylanolytic activities為題，發表在《生物資源技術》（Bioresource Technology）上，論文報道的工程菌株已申請發明專利一項。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院國際合作項目等的支持。