南理工金明杰课题组Science Advances：通过整合生物源羟基化、去甲基化和芳香侧链氧化途径将木质素转化为没食子酸

木质素是由苯丙烷单元组成的复杂生物大分子，是地球上储量最多的可再生芳香族化合物资源，利用木质素制备芳香族化合物对木质素高值化利用及提高木质纤维素炼制的整体经济性均具有重要意义。但由于木质素多样的单体组成和化学键连接，将木质素转化为特定的芳香族化合物具有很大挑战。目前将木质素转化为特定芳香族化合物的过程中通常需要多步骤连续反应，不仅涉及高温、高压等反应条件，而且需要多组反应容器联用。

近日，Science advances以标题为“Valorization of lignin components into gallate by integrated biological hydroxylation, O-demethylation, and aryl side-chain oxidation”报道了南京理工大学金明杰教授课题组在木质素生物转化方面的进展。在该工作中，作者通过整合生物源羟基化、去甲基化和芳香侧链氧化反应模块至红球菌细胞，实现了“一锅法”将H-、G-和S-木质素组分向没食子酸的转化。没食子酸（Gallic acid）是一种广泛应用于食品、生物、医药、化工等领域的重要芳香族化合物。该研究为木质素制备芳香族化合物提供了一条重要的生物转化路线。

Fig. 1. Catalyzing G-/H-/S-type lignin components into gallate with multiple-step reactions and the integrated one-pot biocatalytic route reported in this study

（1）论文作者选择了具有多种芳香化合物修饰和降解功能的红球菌Rhodoccous opacus PD630为目标底盘细胞，为了使菌株能够转化多种木质素源底物并累积没食子酸，作者初步解析了R. opacus PD630中的没食子酸降解关键酶，发现一种外二醇加氧酶为催化没食子酸降解反应第一步的关键酶。之后，作者通过对该酶基因进行阻断使得目标菌株丧失了没食子酸的降解能力。

（2）在阻断没食子酸降解途径的基础上，作者通过引入外源生物羟基化途径实现了原儿茶酸向没食子酸的转化。继而，基于R. opacus PD630菌株内源的“生物漏斗”式的芳香族化合物降解途径，进一步将H-型木质素单体类似物对羟基苯甲酸和对香豆酸转化为没食子酸。

（3）针对G-型木质素单体中含有一个甲氧基的结构，作者利用R. opacus PD630中内源的依赖非血红素铁氧化酶（Rieske nonheme iron monooxygenase）去甲基系统，通过去甲基化反应和羟基化反应将G-型木质素单体类似物香草酸和阿魏酸转化为没食子酸。

（4）S-型木质素单体中含有两个甲氧基，而R. opacus PD630中内源的去甲基系统不能有效催化S-型木质素单体进行去甲基化反应。为了解决此问题，作者引入外源四氢叶酸依赖型去甲基系统（H₄folate-dependent O-demethylation system）实现了S-型木质素单体类似物丁香酸向没食子酸的高效转化。

（5）为了转化更多木质素组分为没食子酸，作者又通过强化内源和引入外源的芳香侧链氧化途径将木质素降解产物丁香醛和松柏醇高效地转化为了没食子酸。

（6）最后，作者以碱处理木质素和碱裂解AFEX木质素为底物进行测试，使用构建的生物转化体系分别获得了0.407 g/g和0.630 g/g的没食子酸得率。

Fig. 2. Integrated biocatalytic reactions involved in gallate production from lignin by R. opacus PD630-GA4.

总结

通过整合多种生物催化模块至单个微生物细胞，不仅避免了木质素催化转化过程中多组反应容器的使用和连续多步骤的操作，而且反应条件相对温和。本工作中构建的生物催化系统能够将H-、G-和S-型木质素解聚产物高效地转化为没食子酸，为利用木质素制备单一芳香族化合物提供了一条非常有潜力的炼制路线。

作者信息

南京理工大学博士研究生蔡成固和许召贤副教授为该论文的共同第一作者，金明杰教授为该论文的通讯作者。该研究受到了国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的资助。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg4585

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