Cupriavidus basilensis B-8 对木质素降解机制的研究

Due to the worldwide shortage of energy, Research in lignin biodegradation has been focused on by lots of researchers. Microbiological lignin degradation has been studied for many years, but the knowledge of the mechanism of lignin degradation is still limited. In previous work, characterization of lignin degradation by Cupriavidus basilensis B-8, related functional genes and proteins, and catabolic pathways of downstream has been well investigated. Base on these works, the mechanism of microbiological lignin degradation will be studied in this program. There are four aspects here: 1, Cupriavidus basilensis B-8 produced small molecule soluble oxidants to attack lignin at the early stage of lignin degradation. This mechanism was studied through quinine derivatives identification and related reaction analysis; 2, Protein species and the change of their expression during the process of lignin degradation were investigated through sequencing and analysis of the proteome, and then the functional proteins were determined; 3, The data of Cupriavidus basilensis B-8 genome was further improved. The genes of functional proteins mentioned above and new gene responsible for lignin degradation were expected to be obtained。

由于全球范围内的能源短缺，木质素生物降解的研究一直备受关注。经过几十年的努力，木质素的微生物降解机制至今仍知之甚少。在前期了解Cupriavidus basilensis B-8对木质素降解的特性，部分功能基因和作用蛋白以及下游代谢途径的基础上，本项目进一步探索木质素微生物降解机制，研究内容如下：（1）通过对醌类化合物的鉴定及其连带化学反应的分析，研究Cupriavidus basilensis B-8在木质素降解前期产生小分子可溶性氧化剂攻击木质素聚合物的机制；（2）通过蛋白质组测定和分析研究木质素降解过程中蛋白种类和表达量的变化，确定木质素降解各个阶段的功能蛋白；（3）进一步完善Cupriavidus basilensis B-8基因组数据，通过基因组分析获得上述功能蛋白的基因以及发现新的木质素降解相关基因。

由于全球范围内的能源短缺，木质素生物降解的研究一直备受关注。经过几十年的努力，木质素的微生物降解机制至今仍知之甚少。基于此本项目研究内容如下：.（1）解析Cupriavidus basilensis B-8在木质素降解前期攻击木质素的机制。.（2）确定木质素降解各个阶段的功能蛋白。.（3）分析获得上述功能蛋白的基因以及发现新的木质素降解相关基因。.（4）克隆和表达对木质素降解至关重要的基因，获得木质素高效降解菌株。.（5）在全面了解细菌降解木质素机制的基础上还进行了木质素资源化和细菌协同化学预处理木质纤维素（如水稻和玉米秸秆）的研究。.研究发现：.（1）虽然醌类化合物及连带的芬顿反应在细菌降解木质素过程中发挥作用，但苯氧基自由基以漆酶和锰过氧化物酶介体的形式在细菌解聚木质素的过程中发挥关键作用。.（2）在木质素解聚阶段漆酶和锰过氧化物酶起到关键作用。木质素解聚形成的苯化合物是通过3,4-二羟基苯乙酸甲酯间位裂解途径，苯基乙酰辅酶A开环途径，2,5-二羟基苯乙酸途径，2-氨基苯甲酰基-辅酶A途径和3-羟基邻氨基苯甲酸途径进行彻底氧化的。.（3）发现了一个具有锰过氧化物酶活性的功能基因。.（4）将漆酶通过同源表达形成的工程菌种其木质素降解能力提高了30%。.（5）发现Cupriavidus basilensis B-8具有利用木质素合成聚羟基链烷酸酯（PHA）的能力，该菌可利用5 g/L的碱木质素产生319.4 mg/L的PHA。.（6）该细菌能够协同NaOH，NaCO3，稀硫酸和芬顿反应进行木质纤维素的预处理，使其还原糖的产量提高20-35%。其中细菌的作用是将化学处理后遗留在秸秆上的木质素进行进一步的修饰和降解。.研究意义：本研究丰富了生物降解木质素及苯化合物的现有理论，提出了一个木质素资源化的有效途径，建立了细菌协同化学方法进行木质纤维素预处理的新方法，极大的提高了还原糖的产量，为木质纤维素综合工艺的设计提供了新的思路。该项目共完成12篇英文论文，其中发表4篇SCI，8篇再投；共完成4个专利，其中三个已经获得专利号，一个在修。