近日，中国科学院天津工业生物技术研究所吴信研究员带领的营养资源生物合成研究团队和江苏大学朱道辰教授团队联合在Science China Life Sciences发表Review文章“Unlocking Lignin Valorization and Harnessing Lignin-Based Raw Materials for Bio-manufacturing”。合作团队均长期从事秸秆等木质纤维素生物炼制等研究，文章阐述了木质素的高值化利用和生物质制造的创新理念，提出利用数字系统和合成生物学技术来解锁木质素衍生原材料的产业潜力与人工智能技术在克服木质素利用挑战和推动其广泛应用中的作用，为生物质全组分利用的绿色转型指明提出了新的方向。
作为自然界中仅次于纤维素的第二大生物质资源，木质素的可再生性、广泛应用性和可持续性使其成为传统聚合物的理想替代品。然而，其复杂的结构和难降解性一直是制约其高值化利用的限制因素，其作为生产芳香族化合物或聚合物应用的可再生资源的真正潜力尚未得到充分开发。目前只有极少部分木质素得到了有效转化，而大量来自各种来源的木质素尚未被有效利用和战略性转化。因此，破解木质素结构屏障和增强木质素资源的综合利用，对于实现木质纤维素全组分利用的可持续发展战略具有重要意义。
Figure 1 Basic structure of lignin and its main monomers, the structure of lignin and lignin monomers in the figure is adapted from (Cai et al., 2021)
Figure 2 The key steps of biodegradation directed transformation.
该文重点综述了木质素的高值化利用和生物质制造，总结了木质素高值化的最新进展，比较了木质素不同降解方法的降解效率与优缺点，总结了木质素生物降解中的各重要步骤与方法，其中包括从自然中得到优质的木质素降解菌种的筛选方法，以及通过优化降解菌种和关键酶与建立适宜的降解环境来达到降解的有序性与高效性的各种作用机制和方法，这为木质素降解过程形成“生物漏斗”迈向更广阔的定向高值化提供了依据，还提出了在此过程中亟待解决的一些问题与挑战。此外，该文章还强调了新型人工智能在木质素高值化利用中的创新作用，利用机器学习可以模拟和计算木质素降解菌株的代谢通量差异，并开发针对木质素的多样化降解途径，实现木质素的定向转化。通过优化现有的代谢途径，挖掘有效的修饰靶点，提高产品合成效率，为木质素的合成生物学基础研究提供了强有力的工具。
随着合成生物学和人工智能技术的发展，木质素在未来生物制造领域中的应用前景广阔，有望替代传统的糖基原料，为实现碳中和目标和循环经济做出贡献，该文章中围绕木质素的系统性总结与创新性论述不仅为木质素的高值化利用提供了新的科学见解，也为生物质全组分利用的绿色转型提出了新的方向。
[点击下方链接或阅读原文]▼
https://doi.org/10.1007/s11427-024-2792-x
