木质纤维素来源广泛且可再生，被认为是极具潜力的第二代生物炼制原料。然而，微生物利用纤维素水解液过程中，存在葡萄糖抑制木糖利用现象，严重制约了木质纤维素生物转化效率。因此，实现葡萄糖和木糖高效同步利用是提高木质纤维素生物炼制效率、降低生产成本的关键技术环节。

针对以上问题，中国科学院大连化学物理研究所周雍进研究员团队以工业菌株多形汉逊酵母为宿主，通过强化木糖分解与吸收效率，实现了葡萄糖与木糖的同步利用。在葡萄糖与木糖模拟物料中，脂肪酸产量达到38.2 g/L；在真实木质纤维素水解液中，脂肪酸产量达到7.0 g/L；进一步，借助代谢转换策略，将脂肪酸合成菌株转化为3-羟基丙酸合成菌株，获得了79.6 g/L的3-羟基丙酸，为木质纤维素生物炼制提供了新型微生物转化平台。

图文解读

改造中心代谢增强NADPH和乙酰-CoA供应

为了高效合成脂肪酸，研究人员首先需要增强辅因子NADPH和前体乙酰-CoA的供应。增强NADPH供应策略如下：过表达氧化磷酸戊糖途径的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶基因ZWF1和糖异生途径的果糖-1,6-二磷酸酶基因FBP1；增强乙酰-CoA供应策略如下：敲除过氧化物酶体生物发生相关基因PEX10，促进乙酰-CoA和脂酰-CoA从过氧化物酶体转运到细胞质用于脂肪酸合成。经过上述中心代谢改造，菌株以葡萄糖为原料合成30.0 g/L脂肪酸，最高生产强度达到0.27 g/L/h。

图1. 增强辅因子NADPH和前体乙酰-CoA促进葡萄糖合成脂肪酸。

强化木糖利用促进葡萄糖和木糖共利用

研究人员发现，木糖难以高效利用主要原因，是NADPH依赖型木糖还原酶XR和NAD⁺依赖型木糖醇脱氢酶XDH导致的辅因子不平衡。通过表达来源于Piromyces sp.和Lachnoclostridium phytofermentans的木糖异构酶基因（PspXI*和LpXI*），并过表达原生的木酮糖激酶基因XYL3，提高了木糖分解代谢效率，其中过表达XYL3效果最为明显。此外，研究人员通过引入对木糖亲和力更高的己糖转运蛋白突变体HXT1*提高了菌株对木糖的吸收，而且不影响葡萄糖代谢。经过以上操作，工程菌在葡萄糖和木糖模拟物料中，脂肪酸产量达到38.2 g/L；在真实纤维素水解液中，脂肪酸产量达到7.0 g/L。

图2. 强化木糖的分解和吸收促进葡萄糖和木糖共利用

代谢转换实现葡萄糖和木糖高效合成3-羟基丙酸

脂肪酸高效合成表明，多形汉逊酵母工程菌具有从葡萄糖和木糖合成乙酰-CoA衍生物的潜力。由于3-羟基丙酸和脂肪酸的合成需要相同的前体乙酰-CoA和辅因子NADPH，研究人员运用代谢转换策略，通过恢复脂肪酸β-氧化途径，并过表达3-羟基丙酸合成途径丙二酰-CoA还原酶基因MCR，使菌株由脂肪酸合成转变为3-羟基丙酸合成，工程菌在葡萄糖和木糖模拟物料中，3-羟基丙酸产量达到79.6 g/L，为目前报道以糖为原料的最高产量。

图3. 代谢转换实现葡萄糖和木糖高效合成3-羟基丙酸。

总结

该研究以“Engineering co-utilization of glucose and xylose for chemical overproduction from lignocellulose”为题发表于Nature Chemical Biology。大连化物所1823组副研究员高教琪和博士后禹伟为共同第一作者，周雍进研究员为通讯作者，南京理工大学金明杰教授参与制备了纤维素水解液。