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新型生物催化劑促進秸稈產(chǎn)業(yè)化應用

來源:中國科學報

木質(zhì)纖維素的復雜結(jié)構(gòu)和組成形成了天然拮抗降解作用的屏障。因此,如何實現(xiàn)木質(zhì)纖維素高效、低成本的酶解糖化成為秸稈產(chǎn)業(yè)化應用的主要瓶頸問題之一。

日,中國科學院青島生物能源與過程研究所代謝物組學研究組成功開發(fā)出新型木質(zhì)纖維素整合生物糖化(CBS)生物催化劑,CBS工藝有望以具有經(jīng)濟實用和可持續(xù)的方式,將木質(zhì)纖維素生物轉(zhuǎn)化帶入實際工業(yè)應用中,從而極大促進木質(zhì)纖維素生物質(zhì)資源的大規(guī)模應用。該工作日前在線發(fā)表于《生物資源技術(shù)》。

了解到,此前,該研究組在針對熱纖梭菌及纖維小體開展長期研究的基礎(chǔ)上,建立了全新的CBS策略。CBS采用基于纖維小體的新型生物催化劑,并以可發(fā)酵糖作為出口偶聯(lián)下游應用,具有顯著的靈活和成本優(yōu)勢。

此外,研究組還進一步圍繞CBS技術(shù)特點開發(fā)出上下游工藝,從而形成從原料到高值產(chǎn)品的全鏈條工藝,這是我國科學家在國際上首次提出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的秸稈高值化轉(zhuǎn)化成套技術(shù)路線。

由于纖維素的水解物纖維二糖對纖維小體體系產(chǎn)生嚴重的反饋抑制,同時在CBS生物催化劑中,β—葡萄糖苷酶(BGL)的表達不可缺少,為此,代謝物組學研究組通過向熱纖梭菌中引入外源BGL,構(gòu)建了兩代CBS生物催化劑,實現(xiàn)了纖維素到葡萄糖的高效轉(zhuǎn)化。然而,在熱纖梭菌中實現(xiàn)異源蛋白的高水表達仍具有較大的挑戰(zhàn)。另一方面,滿足CBS要求的BGL最優(yōu)表達水及其與纖維小體的匹配規(guī)律也不清楚。

為了解決這些問題,研究人員開發(fā)出基于質(zhì)粒骨架的高效異源表達方法,實現(xiàn)了BGL在熱纖梭菌中的高水表達和外泌,獲得了第三代CBS生物催化劑,進而明確了胞外BGL與纖維小體活的最佳比值應在5.5到21.6的范圍內(nèi)。

不僅如此,研究人員還發(fā)現(xiàn),盡管BGL對于提高CBS糖化效率至關(guān)重要,但過量的BGL表達及其通過I型cohesin-dockerin相互作用在纖維小體上的組裝,均會導致纖維小體活降低,這不僅證實了BGL與纖維小體協(xié)同活的重要,更將有效指導下一步CBS生物催化劑的優(yōu)化和改良。

目前,基于構(gòu)建的第三代CBS生物催化劑,研究組通過與企業(yè)的合作已經(jīng)建成百噸級秸稈糖化中試示范,將進一步解決中試放大過程中的技術(shù)問題,開展CBS過程的生產(chǎn)成本估算和進一步的技術(shù)優(yōu)化。

標簽: 木質(zhì)纖維素 酶解糖化 秸稈產(chǎn)業(yè)化 熱纖梭菌

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