合成生物学赋能芳香木质素生物增值

芳香木质素是自然界中储量最丰富的可再生零碳芳香族化合物资源。合成生物学和人工智能的蓬勃发展为木质素生物增值提供了难得的历史机遇，为可再生能源、绿色化学品与功能材料的开发提供了全新路线。芳香木质素的生物增值正成为全球研究的前沿热点，有望助力生物经济可持续发展和“双碳”目标实施。

近期，天津大学合成生物与生物制造学院刘志华特聘研究员和李炳志教授在The Innovation（Impact Factor 33.2）期刊发表了题为Multiscale metabolic engineering in biological lignin valorization论文，2024级博士研究生刘若盈为该论文第一作者，该研究得到“前沿生物技术”国家重点研发计划项目（2023YFC3403500）资助。论文开发了合成生物学赋能芳香木质素生物增值路线和策略，挖掘了关键酶、代谢网络、基因组尺度代谢模型和机器学习多尺度模型，系统阐述了代谢调控在促进木质素生物增值中的关键作用，为木质素生物增值、芳香细胞工厂构建、高价值产物合成等，提供了全新的代谢调控范式（图1）。

图1  多尺度代谢调控解锁木质素增值潜力，合成生物学推动绿色生物制造升级

文章首先聚焦于关键酶调控策略，阐明其在木质素高值转化中的重要作用。自然界中的微生物已经进化出一种“生物漏斗”途径来克服木质素的异质性（图2）。文章提出结合催化反应的具体特点，在生物转化过程中引入“加减法”策略，以优化关键酶的催化性能。其中，“加法策略”包括扩展辅助因子池、维持细胞代谢平衡等；“减法策略”则包括减少副产物积累、消除反馈抑制等，以提高整体转化效率。此外，随着生物技术的不断进步，人们对木质素代谢酶的认识也在不断深入，这为制定更精准的酶水平调控策略提供了新的机遇。

图2  微生物代谢木质素关键酶的催化步骤和调控策略

文章进一步将视角拓展至复杂代谢网络，探讨其调控策略。通过改造和调控“生物漏斗”途径及其相关背景代谢网络，可实现多种高值芳香族化合物（如芳香醛、芳香酸、芳香胺和芳香醇）的微生物合成。深入探索了基因组层面的代谢调控策略在推动木质素生物增值中的应用前景。基因组尺度代谢模型（GEMs）已成为系统分析木质素代谢特性并指导代谢工程的重要工具（图3）。

图3  基因组尺度代谢模指导木质素生物增值中的代谢调节

文章最后关注机器学习在特征识别与预测方面的优势，期望其助力破解木质素生物代谢调控中的技术难题。目前，与木质素生物增值相关的生物学数据正在快速积累，包括在芳香族底物胁迫条件下的转录组与代谢组响应、木质素代谢酶的序列和晶体结构，以及来自优势底盘菌的调控元件资源库。这些高质量的数据集是应用机器学习预测代谢调控靶标、改造限速酶和优化代谢途径的关键支撑（图4）。因此，通过人工智能赋能的代谢调控来促进木质素的生物升级无疑成为未来的发展趋势。

图4  机器学习将木质素生物增带入人工智能时代

*《The Innovation》是一本由青年科学家与Cell Press出版社于2020年共同船板的综合性英文书序期刊，向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心，领域覆盖化学、材料科学、纳米解释、医学、物理学、生物学、地球科学和工程科学等全部自然科学。期刊致力于发表具有重大科学意义、技术突破性和全球影响力的原创研究与前沿综述。期刊聚焦生命科学、医学健康、材料科学、人工智能、环境与可持续发展等多个前沿领域，强调跨学科融合与科技创新，致力于推动科研成果走向实际应用，赋能社会发展。根据最新的《Journal Citation Reports》（JCR）数据，《The Innovation》在综合类期刊（Multidisciplinary Sciences）中名列前茅，在该类别中排名第3位；2024年6月5日获得CiteScore（38.3），2024年6月20日获得Impact Factor 33.2，属综合类Q1区，显示出其在全球科研界的重要影响力。凭借权威的出版平台与严格的同行评审机制，《The Innovation》正在成为连接基础研究与技术转化的国际高水平学术交流平台。