近日，青岛农业大学生命科学学院杨建明教授团队在国际期刊Nature Communications发表了题为“Efficient conversion of hemicellulose into high-value product and electric power by enzyme-engineered bacterial consortia”的研究论文。该研究报道了一种人工合成的细胞体外代谢途径，即将半纤维素降解酶在大肠杆菌表面可控地展示，避免胞内代谢途径调控和细胞膜的限制，有效利用半纤维素中最丰富的成分木聚糖。最终建立了一种高效、可持续的一锅法工艺，将可再生生物质转化为高价值产品和电能。

木质纤维素是一种绿色、可持续的化石能源替代品，在高附加值产品和生物能源的开发领域具有巨大潜力。半纤维素约占木质纤维素的20-40%，却难以被微生物有效降解和利用。目前，半纤维素已被用于生产有价值的化学品，如乙醇、糠醛和木糖醇，但这些过程仍然面临着转化率低和细胞稳定性差的问题。

团队经过改造的大肠杆菌展示酶的级联催化，将半纤维素中最丰富的生物聚合物木聚糖降解为单糖，再氧化为α-酮戊二酸。实现了半纤维素生物质的一锅法高效生产高附加值化学品α-酮戊二酸（转化率~47%），展示了一种可持续高效利用生物质的新模式。

图1：新型人工半纤维素细菌展示酶体外降解途径

随后，团队基于上述多酶展示的工程菌群生物阳极和漆酶表面展示工程菌株生物阴极组装木聚糖/O2双室生物燃料电池（MFC），实现了生物质直接转化为电能和α-酮戊二酸。该MFC在实际生物质样品中表现出良好的功率输出（功率密度是174.33 ± 4.56 µW cm-2）和长期稳定性（电池运行6天后的功率密度保持在95%以上）。本研究是利用酶展示到的工程菌群作为高效生物催化剂将半纤维素同时转化为高值产品和电能的范例，为进一步提高生物质向高附加值化学品和生物能源的转化提供了指导。

图2：木聚糖/O2双室生物燃料电池示意图

青岛农业大学梁波副教授为论文第一作者，青岛农业大学杨建明教授为论文通讯作者，青岛大学刘爱骅教授和法国国家研究中心一级研究员Serge Cosnier为论文共同通讯作者，青岛农业大学为第一通讯单位。

本研究得到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金等项目资助，获得山东省应用真菌重点实验室和青岛农业大学光合固碳产能研究中心等科研平台的大力支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53129-0.pdf