近日，青島農業大學尊龙凯时(中国)楊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。

木質纖維素是一種綠色、可持續的化石能源替代品，在高附加值産品和生物能源的開發領域具有巨大潛力。半纖維素約占木質纖維素的20-40%，卻難以被微生物有效降解和利用。目前，半纖維素已被用于生産有價值的化學品，如乙醇、糠醛和木糖醇，但這些過程仍然面臨著轉化率低和細胞穩定性差的問題。

團隊經過改造的大腸杆菌展示酶的級聯催化，將半纖維素中最豐富的生物聚合物木聚糖降解爲單糖，再氧化爲α-酮戊二酸。實現了半纖維素生物質的一鍋法高效生産高附加值化學品α-酮戊二酸（轉化率~47%），展示了一種可持續高效利用生物質的新模式。

　　圖1：新型人工半纖維素細菌展示酶體外降解途徑

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 ?W 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。

　　圖2：木聚糖/O2雙室生物燃料電池示意圖

青岛农业大学梁波副教授为论文第一作者，青岛农业大学楊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。

本研究得到國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金等項目資助，獲得山東省應用真菌重點實驗室和青島農業大學光合固碳産能研究中心等科研平台的大力支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53129-0.pdf