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

2024年10月9日，青島農業(yè)大學楊建明教授、青島大學劉愛驊教授、西里西亞技術大學Serge Cosnier教授在國際頂級期刊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，青島農業(yè)大學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，青島農業(yè)大學生命科學學院教授。其主要研究方向為微生物傳感機制及開發(fā)利用、光合固碳產能關鍵技術研究、植煙土壤品質改良提升研究，主持國家級項目6項，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，青島大學生命科學學院教授，化學生物學與生物傳感研究所所長。2004年獲日本東北大學藥學博士學位，2004-2010年先后在日本產業(yè)技術綜合研究所、美國密歇根州立大學、俄克拉荷馬大學及德克薩斯大學從事研究工作。2010-2016年加入中科院青島生物能源與過程研究所。2016年被引進到青島大學工作。

劉愛驊教授長期從事微生物、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等國際頂級期刊上發(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，作者報道了一種合成的細胞外代謝途徑，其中半纖維素降解酶作為工程細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），其由基于酶工程細菌菌群的生物負極和基于細菌展示漆酶的生物正極構成。

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，在這種半纖維素補料MFC中產生了46.6%（w/w）的α-酮戊二酸。更重要的是，MFC在6天的運行過程中保持了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轉化為高價值產品和電力。

圖1：由細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

圖4：在MFC中整合工程細菌菌群以產生電力

圖5：MFC性能的優(yōu)化

圖6：由玉米芯半纖維素分數(shù)驅動的MFC的長期電力生成

綜上，這篇論文是關于將半纖維素高效轉化為高附加值產品和電能的研究。研究者們通過在大腸桿菌表面可控展示半纖維素降解酶，構建了一種合成的胞外代謝途徑，這些工程細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菌菌群的生物負極和基于細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業(yè)和林業(yè)生物質資源轉化為有用能源和化學品的新方法。通過利用合成生物學和代謝工程的手段，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生物質資源的高值化利用，還有助于減少對化石能源的依賴，對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護具有重要意義。

這項技術可以應用于生物質能源生產、化學品合成以及環(huán)境保護等多個領域，同時也可以在廢水處理和生物質廢料的資源化利用中發(fā)揮作用。隨著技術的進一步發(fā)展和優(yōu)化，這種方法有望在未來的生物經濟中發(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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