以酶及微生物细胞催化剂结合工程学方法将廉价、废弃原料进行高效生物转化可实现化学品的可持续生产.近年来,合成生物学、系统生物学及酶工程等技术的快速发展大大推动了化学品的可持续生物制造,既实现了多种新型化学品的生物合成,又显著提高化学品的生物合成效率.为展示化学品生物合成的最新进展并促进绿色生物制造的发展,《生物工程学报》特组织出版化学品生物合成专刊,从酶催化与生物合成机制、微生物细胞合成、一碳生物炼制以及关键核心技术等方面,介绍化学品生物合成的最新前沿、挑战以及潜在解决方案.

木质纤维素类生物质是前景广阔的化石原料替代品,其生物炼制可生产生物能源、生物基化学品和生物材料等多种产品,可降低碳排放,有助于实现"双碳"目标,因此受到越来越多的关注.然而,木质纤维素生物炼制需要经过预处理、微生物发酵和产物纯化等多个步骤,其中,预处理过程产生的多种化合物抑制微生物的细胞生长和发酵性能,是制约生物转化效率的瓶颈之一.大肠杆菌是木质纤维素生物炼制常用的宿主,被广泛应用于多种化合物的生产,研究其对木质纤维素水解液中抑制物的耐受性,对于提高木质纤维素生物炼制效率具有重要意义.本文首先介绍了木质纤维素的主要成分和基本结构,对木质纤维素的预处理方法以及预处理后水解液中的主要抑制物种类进行了简单阐述;随后,总结了木质纤维素水解液中几类主要抑制物呋喃类、羧酸类和酚类对大肠杆菌细胞的毒性,以及大肠杆菌对上述抑制物的胁迫响应机制和基于机制的菌株改造靶点;最后,综述了提高大肠杆菌对上述抑制物的胁迫耐受性的菌株改造策略,包括随机突变、实验室适应性进化和组学辅助的理性设计等,为利用代谢工程构建用于木质纤维素生物炼制的高效大肠杆菌菌株提供参考.

为了解循环酶解过程对玉米秸秆酶解糖化的影响及循环酶解液对隐球酵母SCTCC300292发酵产油脂的影响,通过HPLC检测玉米秸秆循环酶解液的糖组分及含量,比较菌株SCTCC300292利用循环酶解液及同等糖浓度合成培养基的油脂发酵效果.结果显示:蒸汽爆破玉米秸秆的循环酶解过程使酶的添加量降低了40％,前5轮酶解液的糖组分和含量基本一致,葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的平均含量为33.63 g/L、10.55 g/L和4.02 g/L,最后一步酶解虽然不添加新的酶和底物仍继续产糖,整个酶解过程的糖转化率由74.84％提高至82.32％,糖得率由479.4 g/kg提高至527.36 g/kg,且产糖速率较高约2.20 g L-1 h-1.菌株SCTCC300292利用玉米秸秆的循环酶解液完成了6轮油脂发酵,前5轮发酵的生物量、油脂产量和油脂含量基本一致且平均值分别为10.84 g/L、5.08 g/L和46.86％,其最终油脂得率提高至54.6 g/kg.本研究表明快速循环酶解过程可促进玉米秸秆的彻底水解并降低生物转化成本,可为进一步实现高效、经济、环保的生物炼制提供参考.

2,3-丁二醇应用广泛,是一种潜在的平台化合物,可以用于替代传统平台化合物-四碳烃.基于能源安全及绿色环保的需求,生物炼制制备2,3-丁二醇受到人们的青睐.与化学法相比,生物炼制制备2,3-丁二醇具有明显的优势.因此,开发合适的2,3-丁二醇发酵工艺是实验室研究的重点.针对菌种Klebsiella pneumoniae CICC 10011,研究人员对菌种发酵产2,3-丁二醇的性质进行了初步考察,并通过控制不同的发酵条件,研究了pH、通空气量和转速在发酵过程中对菌种代谢的影响,从而确定了菌种发酵产2,3-丁二醇的工艺条件.发酵过程中,pH、通空气量以及转速均采用两段调控.在前12h菌种生长阶段,控制pH6.8,通空气量1.0vvm,转速400r/min,转发酵之后控制发酵条件为pH 6.0,通空气量0.5vvm,转速300r/min.

糠醛是木质纤维素转化过程中产生的有毒的代谢抑制物, 能阻碍菌株正常发酵, 增加发酵成本.为提高发酵菌株耐受糠醛的能力, 促进对木质纤维素的高效转化, 以糠醛为耐受物添加到培养基中, 竹虫幼虫肠道作为分离源, 经刚果红染色法初步筛选, 分离到一株可耐受糠醛的纤维素降解菌株BREC-11;通过形态学观察、生理生化分析、细胞化学分析、16S rDNA序列比对等多相分类学方法鉴定;进一步进行了不同浓度糠醛耐受试验研究, 并测定菌株的滤纸酶活 (FPA) 、CMC酶活、纤维二糖酶活 (β-G).确定菌株BREC-11属于芽孢杆菌属的一个种, 将其定名为Bacillussiamensis BREC-11.菌株BREC-11在含3.5 g/L糠醛的培养基中可以生长;在3.5 g/L糠醛的耐受浓度下, 在30℃、150 r/min培养2 d后, 滤纸酶活达到0.1 U/m L, CMC酶活达到0.21 U/m L, 纤维二糖酶活达到0.07 U/m L.本研究表明BREC-11是一株耐受糠醛的纤维素降解菌株, 在生物炼制过程中具有一定的应用潜力.

有机废弃物是重要的待开发利用的生物质资源,特别是发展生物炼制.文中针对林业剩余物第二级分类的全部10个类型,根据1993-2017年间报道的有关林业剩余物系数研究,首先在前人研究结果的基础上,完善了系数体系及其定义.然后,对以前的取值通过文献溯源甄别其合理性,对于没有明确依据的取值和迄今未取值的系数,通过相关研究获得数据并进行实地调研,确定了计算林木苗圃剩余物、林木修枝剩余物、木材采伐剩余物、木材造材剩余物、木材加工剩余物、竹材加工剩余物、薪材、废旧竹材和废旧木材、香蕉和菠萝残体所需系数的合理取值.

里氏木霉Trichoderma reesei Rut-C30是目前研究最广泛的纤维素酶生产菌,选育高产纤维素酶的里氏木霉菌株有助于提高木质纤维素资源生物炼制的经济性.利用人工锌指蛋白文库转化T.reesei Rut-C30,筛选获得了两株高产纤维素酶的突变株T.reeseiM1和M2,与出发菌株比较,突变株M1和M2滤纸酶活分别提高100％和53％,且M1突变株外泌蛋白量提高69％,M2内切纤维素酶活提高64％.实时定量PCR分析结果表明,与对照菌株相比,突变株M1和M2中主要纤维素酶基因转录均上调,但不同酶基因在两株菌中有不同的变化特征.此外,纤维素酶抑制转录因子基因acel在两株突变株中都转录下调,而纤维素酶正调控转录因子基因xyrl仅在M1突变株中上调.以上结果表明,不同人工锌指蛋白对纤维素酶活性的影响具有多样性.对这些突变体中人工锌指蛋白靶基因进行深入分析,为进一步深入探究里氏木霉纤维素酶合成调控的机理,以及利用代谢工程选育更高效的产酶菌株提供了基础.

丁醇因其优越的燃烧性能成为目前最具研发前景的生物燃料之一,它通常以可再生资源为原料,经丙酮丁醇乙醇(ABE)发酵获得.尽管ABE发酵曾是最古老的大规模发酵工艺之一,但由于原料成本高,发酵液中丁醇浓度低以及较高浓度的丙酮、乙醇和有机酸等副产物积累等问题,导致丁醇的生物炼制仍然不具有经济竞争力.本文中,笔者从原料选择、原料预处理、纤维素酶酶解和丁醇发酵4个方面介绍丁醇生物炼制的基本流程以及相关研究,以进一步分析丁醇生产的主要瓶颈,并从生产菌株改造和丁醇分离2个方面总结近年来的相关研究进展.最后,讨论了未来丁醇生产研究的重点并指出菌株改造的方向.

以微生物降解为主的羽毛生物炼制是资源化利用其的重要手段之一,但机理不明是限制其进一步应用的瓶颈.突变体库筛选性状变异菌株的正向遗传学是研究分子机理的常用方案,该方案要求高效可靠的筛选方法.然而,目前依靠测酶活方法来决定降解能力,费时费力,难以用于大规模筛选.本文通过优化羽毛培养基成分及接种菌浓度,建立了一种用于筛选不同角蛋白降解能力微生物的筛选体系.利用该体系分析由mini Tn10构建的S.maltophinia DHHJ突变体库,得到了6株羽毛角蛋白降解能力减弱的突变体,筛选结果与酶活测试100％一致.该研究结果为寻找与角蛋白降解相关基因奠定了基础.

生物炼制技术体系是缓解能源和环境危机,推动社会可持续发展的重要选择,而充足的糖原料供应是生物炼制的基础.蓝细菌光驱固碳合成蔗糖是一种潜力巨大的新型糖原料供应路线.基于高效的蓝细菌光驱固碳细胞工厂,可以在单平台上以太阳能为驱动将二氧化碳和水直接转化为蔗糖,过程简单、产品明确、易于提取,而且可以同时达到固碳减排和供应糖原料的效果,具有重要的研究和应用价值.本文回顾了蓝细菌光驱固碳合成蔗糖技术的发展现状,从合成机制、代谢工程策略、技术延伸应用等层面对其最新进展和所遇到的问题进行了总结介绍,并对该技术未来发展方向进行了展望.