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作為一種豐富的農(nóng)林生物質(zhì)資源，半纖維素由于膜和代謝調(diào)控的限制，很難被微生物有效降解和利用。

2024年10月9日，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)楊建明教授、青島大學(xué)劉愛驊教授、西里西亞技術(shù)大學(xué)Serge Cosnier教授在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Communications發(fā)表題為《Efficient conversion of hemicellulose into high-value product and electric power by enzyme-engineered bacterial consortia》的研究論文，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)梁波副教授為論文第一作者，楊建明教授、劉愛驊教授、Serge Cosnier教授為論文共同通訊作者。

楊建明，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授。其主要研究方向?yàn)槲⑸飩鞲袡C(jī)制及開發(fā)利用、光合固碳產(chǎn)能關(guān)鍵技術(shù)研究、植煙土壤品質(zhì)改良提升研究，主持國(guó)家級(jí)項(xiàng)目6項(xiàng)，發(fā)明專利37件，已在Biotechnology Advances等著名期刊發(fā)表SCI論文61篇。

劉愛驊，青島大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授，化學(xué)生物學(xué)與生物傳感研究所所長(zhǎng)。2004年獲日本東北大學(xué)藥學(xué)博士學(xué)位，2004-2010年先后在日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、美國(guó)密歇根州立大學(xué)、俄克拉荷馬大學(xué)及德克薩斯大學(xué)從事研究工作。2010-2016年加入中科院青島生物能源與過(guò)程研究所。2016年被引進(jìn)到青島大學(xué)工作。

劉愛驊教授長(zhǎng)期從事微生物、多肽和酶的研發(fā)，及其在生化分析與生物傳感、大健康與食品安全、生物燃料電池等方面的應(yīng)用研究。截至2019年12月，他已在 Journal of the American Chemical Society、Chemical Reviews、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Journal of Molecular Biology、Bioresource Technology、Analytical Chemistry、Biosensors & Bioelectronics、Antiviral Research等國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表SCI論文110余篇，其中通訊作者或一作論文80多篇，h指數(shù)39。

在此，作者報(bào)道了一種合成的細(xì)胞外代謝途徑，其中半纖維素降解酶作為工程細(xì)菌菌群成員可控地展示在大腸桿菌表面，以有效利用半纖維素中最豐富的成分木聚糖。

此外，研究人員開發(fā)了一種半纖維素/O₂微生物燃料電池（MFC），其由基于酶工程細(xì)菌菌群的生物負(fù)極和基于細(xì)菌展示漆酶的生物正極構(gòu)成。

優(yōu)化后的MFC的開路電壓為0.71V，最大功率密度（P_max）為174.33±4.56?μW?cm^-2。同時(shí)，在這種半纖維素補(bǔ)料MFC中產(chǎn)生了46.6%（w/w）的α-酮戊二酸。更重要的是，MFC在6天的運(yùn)行過(guò)程中保持了95%以上的P_max。

因此，該工作建立了一種有效且可持續(xù)的一鍋法，以環(huán)保的方式催化可再生生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高價(jià)值產(chǎn)品和電力。

圖1：由細(xì)菌表面展示酶催化的木聚糖的糖化和氧化路徑

圖2：工程細(xì)菌菌群的比例和成分優(yōu)化

圖3：MFC中的電子傳遞路線和催化反應(yīng)

圖4：在MFC中整合工程細(xì)菌菌群以產(chǎn)生電力

圖5：MFC性能的優(yōu)化

圖6：由玉米芯半纖維素分?jǐn)?shù)驅(qū)動(dòng)的MFC的長(zhǎng)期電力生成

綜上，這篇論文是關(guān)于將半纖維素高效轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品和電能的研究。研究者們通過(guò)在大腸桿菌表面可控展示半纖維素降解酶，構(gòu)建了一種合成的胞外代謝途徑，這些工程細(xì)菌菌群成員能夠有效地利用半纖維素中含量最豐富的成分——木聚糖。此外，作者還開發(fā)了一種基于酶工程細(xì)菌菌群的生物負(fù)極和基于細(xì)菌展示漆酶的生物陰極的半纖維素/O₂微生物燃料電池（MFC）。

該研究提供了一種將農(nóng)業(yè)和林業(yè)生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為有用能源和化學(xué)品的新方法。通過(guò)利用合成生物學(xué)和代謝工程的手段，研究者們能夠提高半纖維素的利用效率，并開發(fā)出一種新型的生物能源系統(tǒng)。這種方法不僅能夠促進(jìn)生物質(zhì)資源的高值化利用，還有助于減少對(duì)化石能源的依賴，對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于生物質(zhì)能源生產(chǎn)、化學(xué)品合成以及環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)也可以在廢水處理和生物質(zhì)廢料的資源化利用中發(fā)揮作用。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化，這種方法有望在未來(lái)的生物經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要作用。

Liang, B., Yang, J., Meng, CF.?et al.?Efficient conversion of hemicellulose into high-value product and electric power by enzyme-engineered bacterial consortia.?Nat. Commun.?15, 8764 (2024).

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