恶臭假单胞菌降解S-木质素相关化合物的代谢途径解析

The utilization of lignin has been considered as one of the essential parts in the lignocellulosic biorefinery. Bioconversion is one of the effective ways to improve the efficient utilization of lignin. However, limited study has been done on the lignin metabolic pathways, especially the S-lignin metabolic pathways. In our previous study, a novel Pseudomonas putida strain has been screened and found to be able to utilize the kraft lignin as the sole carbon source efficiently. However, its metabolic intermediates were different from those reported in other studies. Therefore, some new metabolic pathways for S-lignin degradation could exist in this P. putida strain. In this project, we will unravel the degradation pathway of S-lignin related compounds by using a “prediction-verification-modification” procedure. First, the S-lignin degradation pathway was deduced through analyzing the metabolic intermediates of S-lignin and mining the genome of the target strain. Then, the putative genes will be verified by gene knockout, retro-complementation and heterologous expression. Next, as some lignin biodegradation related enzymes could catalyze two or more biochemical reactions, we will discover the isoenzymes, the multifunctional enzymes, and the enzymes with excellent performance by enzyme property determination. Based on these analysis, the S-lignin degradation pathway and related genes in this novel P. putida strain will be elucidated. This study will provide relevant theoretical basis for the efficient valorization of S-lignin.

木质素利用是木质纤维素生物炼制的重要组成部分，微生物转化是实现木质素利用的有效途径之一。目前对微生物的木质素代谢途径，尤其S-木质素代谢途径的有限认知，阻碍了木质素微生物转化技术的发展。申请人在前期工作中筛选到一株能高效利用木质素的恶臭假单胞菌，发现其细胞破碎液催化S-木质素的产物不同于已报道的S-木质素代谢产物。因此，该菌株中存在新的S-木质素代谢途径。本项目拟通过“预测-验证-完善”的研究思路，全面解析该菌株的S-木质素代谢途径。首先通过代谢产物分析、基因组挖掘与比较等技术预测S-木质素代谢途径；随后通过基因表达水平测定、基因阻断与回补、途径异源表达等技术对预测途径进行确认；最后针对一些木质素代谢相关酶能催化两个或更多生化反应的事实，通过酶学性质测定，发现同工酶、多功能酶及高性能酶，进而对获得的S-木质素代谢途径进行完善。本项目的实施有望为以S-木质素为原料制备生物产品提供理论基础。

木质素是木质纤维素的第二大组分，合理利用木质素资源是木质纤维素生物炼制的重要组成部分。微生物转化是实现木质素利用的有效途径之一，但目前对微生物的许多木质素代谢途径认知不清晰，尤其S-木质素代谢途径的有限认知，阻碍了木质素微生物转化技术的发展。在本项目中，申请人以木质素代谢途径解析和木质素代谢途径利用为中心任务，以恶臭假单胞菌Pseudomonas putida NX-1和浑浊红球菌Rhodococcus opacus PD630为研究对象，通过基因组测序、代谢产物分析、关键酶的预测和验证、关键酶元件的酶学性质测试等技术手段解析了菌株中部分木质素降解途径，尤其是S-型木质素模型化合物没食子酸的一种新型降解酶和木质素源芳香醛化合物在微生物体内的代谢途径。具体地，对P. putida NX-1进行基因组测序，并基于基因组数据构建了菌株中木质素降解相关的代谢网络，并对P. putida NX-1中的脱色氧化酶进行了详细的酶学性质测定；对R. opacus PD630中S-木质素模型化合物没食子酸的代谢途径进行解析，发现了一种新的没食子酸降解模式（外切模式），并对其关键酶进行了鉴定和进化分析；对R. opacus PD630中芳香醛的代谢途径进行分析，发现该菌株除了能够将芳香醛氧化成芳香酸外，还能够将其还原成芳香醇，并对其香草醛还原酶进行了解析。此外，基于对菌株中木质素源化合物代谢途径的认知，利用微生物“biological funnel”的代谢途径特征，申请人及团队实现了利用微生物将木质素源多种化合物及真实木质素转化为特定化合物的技术路线，避免了木质素成分复杂带来的生物转化产物复杂及后期分离困难的问题。具体地，利用野生菌或工程菌将木质素及木质素模型化合物高效地转化为了聚羟基脂肪酸酯、黏糠酸和没食子酸等产物。总体地，申请人在项目的资助下解析了木质素的微生物降解途径，尤其是S-木质素的代谢途径，促进了人们对木质素在自然界降解过程的理解。并且，申请人还利用微生物代谢途径将微生物转化成了其它有价值的化合物，为将来木质素的高价值转化提供了参考路线。