10月28日，Nature旗下知名期刊Nature Communications在线发表了华中科技大学谢尚县教授团队题为“Lignin valorization to bioplastics with an aromatic hub metabolite-based autoregulation system”的研究论文。该研究创新性地构建了一种基于响应芳香族化合物代谢中间体的自动调控（HMA）系统，有效解除了木质素解聚产物的异质性对微生物代谢造成的限制，实现了木质素向可降解塑料的高效转化。
可再生生物质的有效利用可以减缓CO2的排放并降低化石燃料对环境造成的严重污染。随着生物质精炼技术的快速发展，将副产物木质素转化为可降解塑料等高值化学品对于提升生物精炼的经济性和可持续性至关重要。但木质素解聚产物的异质性和复杂性导致木质素的高值化利用仍面临巨大挑战。其中，缺乏对复杂底物代谢的有效调控是关键的限制因素之一。谢尚县教授团队将不同种类微生物代谢木质素基芳香族化合物的关键途径整合到Ralstonia eutropha H16（合成可降解塑料聚羟基脂肪酸—PHB的模式微生物）中，借助对响应芳香族化合物的调控元件进行筛选和表征，开发并改造了能够响应芳香族化合物代谢中间体的调控元件PcaQ。利用微生物对芳香族化合物代谢的“生物漏斗”特性，构建了能够有效代谢复杂底物的自动调控系统，实现了对复杂的木质素解聚产物的代谢调控。结果表明，将芳香族化合物关键代谢途径和自动调控系统等多个功能模块在R. eutropha H16的基因组中进行整合，成功构建了高效且稳定的细胞工厂。利用定向进化对所构建的工程菌株进行驯化和筛选，以木质素解聚产物作为唯一碳源合成PHB，实现了木质素向可降解塑料的高效转化。该项工作也为设计非木质素降解微生物参与木质素高值化提供了一体化构建方案和关键功能元件，促进了绿色可再生底物向多种类型高值化学品的转化，为木质素高值化进程的快速发展提供了有效策略。
基于“生物漏斗”的代谢特性与响应芳香族代谢中间体的调控元件构建的自动调控枢纽示意图
华中科技大学生命科学与技术学院博士后赵一全和博士毕业生薛乐为该论文的共同第一作者，谢尚县教授为该论文的唯一通讯作者。
该论文的相关工作是谢尚县教授团队聚焦于合成生物学与木质素高值化研究的又一重要进展，近年来，谢尚县教授团队一直致力于利用合成生物学技术实现木质素的高值转化。通过对自然生物系统中木质素降解机制的解析，基于系统合成生物学的创新理性设计，构建木质素到生物能源、生物材料、生物医药等高值物质的多元转化平台，在Nature Communications、Trends in Biotechnology、Advanced Science、Biomaterials、Green Chemistry、Environmental Microbiology、Applied and Environmental Microbiology等期刊发表了一系列重要成果。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53609-3
