摘要：木质素是自然界中最丰富的芳香族高分子之一，每年在纸浆和农业废弃物加工中产生超过2亿吨的木质素废弃物。尽管木质素具有转化为高附加值芳香化合物的潜力，但其高效利用长期受到两个关键瓶颈限制：一是生物转化过程中对ATP、NADPH和CoA等昂贵辅酶的依赖，显著提高了成

木质素是自然界中最丰富的芳香族高分子之一，每年在纸浆和农业废弃物加工中产生超过2亿吨的木质素废弃物。尽管木质素具有转化为高附加值芳香化合物的潜力，但其高效利用长期受到两个关键瓶颈限制：一是生物转化过程中对ATP、NADPH和CoA等昂贵辅酶的依赖，显著提高了成本；二是辅酶循环与多酶催化之间常常存在酶活性不匹配的问题，导致目标产物转化效率差。传统手段常需引入多个辅酶再生模块，调控极为复杂，且常引发代谢稳态失衡。当前缺乏一种普适、协调、高效的转化策略。

成果简介

基于此，上海交通大学倪俊副教授团队提出了iMECS策略，实现了无需外源辅酶的木质素衍生物高效转化。该研究以“Chemoenzymatic platform with coordinated cofactor self-circulation for lignin valorization”为题，发表在《Nature Synthesis》期刊上。

作者简介

倪俊，上海交通大学生命科学技术学院长聘教轨副教授，课题组长，博士生导师。主要从事合成生物学的前沿基础、创新技术及应用研发，在JACS、Angew Chem Int Ed和Green Chem等著名学术期刊上发表了系列有影响力的科研论文，入选上海市青年科技启明星和《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”。具体研究方向包括：（1）工业微生物的分析与设计研究，开发合成生物学使能工具和高通量筛选技术，创造符合工业化需求的微生物细胞工厂。（2）关键工业酶的分子设计与定向进化，以及新型催化体系的创制。（3）新型光驱动合成生物平台开发，基于光合微生物底盘，研究将二氧化碳转化为高值产物的细胞工厂/菌群。

研究亮点

1. 构建了具ATP、CoA和NADPH自我循环能力的多级体系，利用牺牲底物高效再生辅酶，极大降低反应成本，实现无辅酶高转化率。

2. 通过自动化高通量筛选（1,296种组合）与质粒比例调控，快速实现酶活性精准平衡，香料化合物的转化率均超90%。

3. 整合化学裂解与酶催化平台，直接从农作物废料提取木质素单体并一步转化为高值化学品，实现最大35.9倍生产效率提升。

图1 木质素生物高值化不同路径的示意图

图1展示了当前木质素高值化的三种主要路径：传统纯化酶催化、生物细胞催化与本研究提出的iMECS策略。以流程图形式呈现了从木质素水解到芳香族化合物的转化过程。其中，紫色路径表示使用纯化酶的转化方式，依赖ATP、NADPH、CoA等多种昂贵辅酶，并需严格控制酶与底物的比例；绿色路径代表微生物转化，但因不同酶的活性难以协调，常导致底物积累和产物产率低；粉红路径则是本研究提出的创新体系——iMECS，基于细胞自由蛋白合成系统，通过整合辅酶回收模块与表达调控机制，实现无需外源辅酶、催化活性精准匹配、高产率的芳香化合物合成。

图2 基于iMECS策略的阿魏酸体外合成姜黄素路径

图2展示了从阿魏酸（FA）到姜黄素（Curcumin）在iMECS平台中的合成过程与参数优化手段。图2a为代谢路径，从FA经由FCS或4CL生成酰基中间体，再与马洛尼酰辅酶A在CUS作用下缩合生成姜黄素。图2b对比了不同来源的FCS与4CL的催化效果，结果显示源自嗜热菌的CtFCS产率最高（115.3 mg·L⁻¹），显著优于植物来源酶。图2c展示了FCS与4CL酶的系统图，验证所选用酶在序列上具有高度保守性。图2d-e通过在CFPS系统中组合不同质粒（FCS、CUS、MatB、PPK）构建催化模块，在外加与不外加辅酶条件下进行合成实验，结果表明即便不外加ATP、CoA和malonyl-CoA，系统仍能有效产出姜黄素（达71.0 mg·L⁻¹），归功于细胞裂解物中残余辅酶的参与。图2f-g展示了自动化液体处理系统筛选的1,296组组合中最佳酶配比（FCS:CUS:MatB:PPK = 2:1:3:2），实现了最高转化率（95.31%）与产率（0.175 g·L⁻¹·h⁻¹）。

图3 阿魏酸转化为香草醛的热稳定iMECS体系

图3中展示了通过热稳定酶的引入与能量萃取模块构建高效无辅酶的香草醛合成路径。图中展示了从FA经由FCS和ECH合成香草醛，同时释放高能副产物乙酰辅酶A。为回收能量并实现辅酶循环，研究团队引入PTA和ACK构建能量萃取模块，乙酰辅酶A可被PTA转化为乙酰磷酸，后者再被ACK催化生成ATP，实现能量闭环。图3b验证了该五酶模块能在无外源辅酶条件下实现香草醛合成（产量94.4 mg·L⁻¹）。图3c-d提出“温控去副产”策略，在50°C下灭活裂解液中ADH酶，仅保留耐热FCS与ECH活性，有效避免副产物香草醇生成。图3e通过AlphaFold2模拟CtECH和SvECH结构，并测定其热稳定性，结果表明CtECH在50°C下24小时仍保有60%活性。图3f通过46组质粒比例筛选，优化后实现了香草醛的高转化率（98.21%）和产率（1.79 g·L⁻¹·h⁻¹）。

图4 基于iMECS的三重辅酶循环覆盆子酮生物合成路径

图4展示了从p-香豆酸（pCA）合成覆盆子酮（RK）的完整路径。图4a分为上游模块（FCS+BAS）与下游模块（RZS/CurA+FDH）。上游模块负责从pCA生成4HBA，需ATP、CoA与malonyl-CoA三种辅酶；下游模块由NADPH依赖的RZS催化完成还原反应。图4b筛选了多种来源的BAS，结果显示RpBAS活性最强（103.7 mg·L⁻¹），其突变体S311V反而表现不佳，提示突变效果具有系统依赖性。图4c-d展示了不同来源的CurA与辅酶再生系统对RK合成的影响，其中FDH系统在无需NADPH条件下也能驱动还原反应。图4e通过组合筛选，优化了六质粒体系的比例，RK产量达118.9 mg·L⁻¹，转化率91.56%。图4f-g则引入融合酶策略，用GGGGS连接CurA与FDH以简化质粒添加操作并提升效率。

图5 用于木质素高值化的化学-iMECS协同转化路径

图5a-b展示了在CFPS系统中，将BAS替换为STS或CHS/CHI，即可由pCA合成白藜芦醇与柚皮素。通过调节质粒比例，白藜芦醇与柚皮素的产量分别达211.3和229.1 mg·L⁻¹，转化率分别为92.58%与84.2%，产率均高于当前文献报道。图5c提出“化学-酶催化联合”策略，结合碱性水解木质素技术与iMECS平台，在不脱毒、不过滤、不添加辅酶的条件下，将农作物废弃物中的FA/pCA直接转化为高值产物。图5d列出了甘蔗渣、大豆秸秆、花生壳、小麦秸秆、木屑等十余种废弃物来源，经处理后作为底物输入系统。实验表明各类底物在CFPS体系中的转化产物浓度介于77.5–173.9 mg·L⁻¹之间，日生产率高达36.5 g·L⁻¹·day⁻¹，转化率最高可达83.38%。

总结展望

本研究提出的iMECS策略为木质素高值化开辟了新路径，通过多酶协同表达、辅酶自我循环与自动化调控，打破了辅酶依赖和催化效率低下的技术瓶颈。该平系统在姜黄素、香草醛、覆盆子酮、白藜芦醇与柚皮素等化合物的合成中表现出优异性能，最高可实现近百倍于传统体系的转化效率。此外，iMECS可无缝整合农业废弃物前处理产物，构建“零辅酶、无纯化”的绿色合成路径，降低整体成本，提升工艺通用性。

文献信息

Chemoenzymatic platform with coordinated cofactor self-circulation for lignin valorization. Nature Synthesis, https://doi.org/10.1038/s44160-025-00819-2

来源：朱老师讲VASP