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熱纖梭菌具有的纖維小體多酶復(fù)合體，是目前自然界中已知最高效的纖維素降解體系。熱纖梭菌的纖維素降解酶系中缺少外泌的β-葡萄糖苷酶（BGL），導(dǎo)致纖維二糖對(duì)纖維小體反饋抑制。同時(shí)，熱纖梭菌半纖維素酶系也較弱，不僅影響半纖維素的降解水平，木聚糖還會(huì)進(jìn)一步抑制關(guān)鍵纖維素酶Cel48S的活性，從而制約整體纖維素降解效率。因此，熱纖梭菌仍需要系統(tǒng)的基因工程改造，以提升其降解纖維素和半纖維素的效率。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究團(tuán)隊(duì)此前通過向熱纖梭菌引入外源BGL（CaBglA），解決了纖維二糖的反饋抑制問題，構(gòu)建了三代CBS工程菌株，顯著提升了纖維素糖化性能。近期，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步聚焦工程菌株遺傳穩(wěn)定性和半纖維素降解能力不足的問題，構(gòu)建了第四代CBS工程菌株。研究團(tuán)隊(duì)通過基因組整合CaBglA基因構(gòu)建了工程菌株GB2，相較于第三代基于質(zhì)粒表達(dá)CaBGL的菌株，GB2具備不依賴于抗生素、穩(wěn)定高效的纖維素降解能力，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)94%的纖維素-葡萄糖轉(zhuǎn)化率。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步向GB2中引入來自于明黃梭菌的外源雙功能木聚糖酶/木糖苷酶CcXyl0074，以進(jìn)一步提升熱纖梭菌的半纖維素降解能力。結(jié)果表明，以預(yù)處理的玉米秸稈為底物，質(zhì)粒表達(dá)CcXyl0074的菌株在3天內(nèi)可將84%的木聚糖轉(zhuǎn)化為單體木糖，說明在保持纖維素高效轉(zhuǎn)化的前提下，CcXyl0074的引入顯著增強(qiáng)了熱纖梭菌的半纖維素降解能力。此外，研究團(tuán)隊(duì)將CcXyl0074和CaBGL共同整合到基因組中，獲得工程菌株GBX1，實(shí)現(xiàn)了纖維素酶與木聚糖酶活性的同步增強(qiáng)，以及纖維素和半纖維素組分的高效協(xié)同降解，最大糖化速率可達(dá)GB2的1.5倍。研究人員還對(duì)糖化培養(yǎng)基的配方進(jìn)行了優(yōu)化，將培養(yǎng)基成本降低了87.3%。研究開發(fā)的工程菌株為木質(zhì)纖維素生物煉制提供了性能更優(yōu)的全細(xì)胞生物催化劑，為整合生物糖化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以Effective conversion of lignocellulose to fermentable sugars using engineered Clostridium thermocellum with co-enhanced cellulolytic and xylanolytic activities為題，發(fā)表在《生物資源技術(shù)》（Bioresource Technology）上，論文報(bào)道的工程菌株已申請(qǐng)發(fā)明專利一項(xiàng)。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目等的支持。論文鏈接通過基因組整合β-葡萄糖苷酶CaBglA和雙功能木聚糖酶/木糖苷酶CcXyl0074實(shí)現(xiàn)纖維素與半纖維素降解能力的共同增強(qiáng)