摘要：木质素是地球上最丰富的芳香族聚合物，也是植物细胞壁的重要组成部分。它的复杂性和稳定性决定了木质素在自然界中难以降解，长期以来被视为生物质利用的瓶颈。如何将木质素转化为能源和高附加值化学品，成为合成生物学与工业生物技术亟需解决的难题。
木质素是地球上最丰富的芳香族聚合物，也是植物细胞壁的重要组成部分。它的复杂性和稳定性决定了木质素在自然界中难以降解，长期以来被视为生物质利用的瓶颈。如何将木质素转化为能源和高附加值化学品，成为合成生物学与工业生物技术亟需解决的难题。
美国西北大学 Ludmilla Aristilde 教授团队近日在 Communications Biology 发表研究“Quantitative decoding of coupled carbon and energy metabolism in Pseudomonas putida for lignin carbon utilization”，利用代谢组学、蛋白质组学与 ¹³C 通量分析系统性描绘了模式菌株恶臭假单胞菌 KT2440 在利用木质素衍生酚酸时的代谢全貌。这项工作首次量化揭示了细胞在能量与碳流之间的耦合机制，勾勒出一张代谢蓝图，为细胞工厂设计提供了坚实基础。
研究团队首先从细胞代谢物的直接观测入手，确认并拓展了以往推测的代谢瓶颈。他们发现，恶臭假单胞菌在分解阿魏酸和对香豆酸等酚酸底物时，中间体出现了明显积累。例如，阿魏酸代谢过程中香草醛水平高出前体二十倍，显示出 Vdh 节点的显著瓶颈。这一结果不仅印证了已知的 VanAB 和 PobA 限制环节，还揭示了此前未充分认识的代谢障碍。令人意外的是，当研究团队尝试通过过表达相关酶基因来缓解这些堵点时，细胞整体的能量电荷（Energy Charge） 反而下降了 25% 至 44%。这表明天然状态下的代谢瓶颈并非简单的低效，而是细胞为维持全局能量平衡所形成的演化策略。单纯加速局部代谢虽然能减少代谢物积累，但却破坏了细胞内部的能量协调。
在全局水平上，蛋白质组学分析揭示了细胞的代谢重编程。恶臭假单胞菌在以酚酸为唯一碳源时，大量转运蛋白和 β-酮己二酸途径相关酶被显著上调，部分蛋白的丰度提升高达数百至数千倍，其中，香草酸 O-脱甲基酶（VanAB） 在阿魏酸或香草酸条件下表达量飙升了 2700 倍。这种表达模式表明细胞不仅提高了底物摄取能力，还启动了完整的芳香族降解生产线。更为关键的是，中心代谢节点的重新配置。丙酮酸羧化酶水平上升六倍，而乙醛酸分流途径的关键酶则提升近三十倍。这些变化暗示细胞通过调整碳流方向来维持能量与还原力的供需平衡。
在分析这些现象的同时，研究团队构建了代谢重构的核心图景。通过 ¹³C 同位素标记和动态通量测定，他们精确描绘了碳流在细胞内部的分配方式。代谢模型计算显示，ATP 的生成速率（ATP surplus）高达以琥珀酸为碳源时的六倍；实验测量也证实，食用酚酸的细菌细胞内 ATP 含量确实显著更高。结果显示，丙酮酸羧化反应的通量比在传统底物琥珀酸条件下高出 7 至 20 倍，显著增强了草酰乙酸的生成，从而为三羧酸循环提供充足的补料。与此同时，乙醛酸分流的激活使碳原子避免了在三羧酸循环中的脱羧损失，相当于在节约碳源的同时通过苹果酸酶产生额外的 NADPH。这一双重策略最终带来了巨大的能量盈余，细胞获得的 ATP 水平是以琥珀酸为碳源时的六倍。实验证据也证实了在酚酸底物下细胞 ATP 含量显著提高，验证了这一代谢重塑模式。
在这一代谢蓝图中，起始的芳香族降解与中央代谢的选择性重构是相互耦合的，构成了整体调控网络。
图 | 起始芳香族降解与中心代谢选择性重构的协同调控，展示了转运蛋白、关键分解酶及中央代谢通路的系统性上调
这项研究不仅揭示了自然界的适应性策略，也为合成生物学提供了重要启示。过去的代谢工程往往侧重于局部增强某些酶的表达，却忽视了辅因子平衡与全局能量协调。例如，细胞在利用木质素衍生底物时，天然 NADH 的产生量约为 NADPH 的六倍。如果盲目增强依赖 NADPH 的反应，就会迅速打破辅因子平衡，从而导致代谢效率下降。相反，利用 NADH 依赖型的酶则能够更好地与宿主代谢适配。因此，合理的设计需要在提高目标代谢通路效率的同时，建立或加强 NADPH 生成机制，如增强苹果酸酶活性或引入氧化戊糖磷酸途径。
进一步的定量分析还揭示了不同底物条件下辅因子供需的动态变化。通过对四种木质素衍生酚酸与琥珀酸条件的比较，研究团队建立了代谢反应与辅因子流动的精确映射。这一模型能够预测在扰动代谢网络后可能出现的失衡，尤其是在 NADH 与 NADPH 比例失调时的能量危机。
图 | 四种木质素衍生酚酸与琥珀酸条件下的代谢反应与辅因子流动定量映射，揭示了不同碳源下 NADH 与 NADPH 平衡的差异
总体而言，这项工作首次提供了细胞如何在复杂底物条件下实现碳与能量耦合的定量证据。恶臭假单胞菌通过精确调控代谢瓶颈、重构中心代谢流向和优化辅因子利用，在木质素衍生物利用中实现了超额能量产出。这一蓝图不仅解释了过去工程改造中屡屡受挫的原因，更为未来的理性设计奠定了坚实的理论基础。通过借助这种定量模型，科学家能够预测潜在风险，减少试错成本，提升细胞工厂的构建效率。
展望未来，基于该研究绘制的代谢全景图，研究人员可以更有针对性地设计工程菌株，将自然界的复杂碳源高效转化为可再生能源和绿色化学品。这不仅是基础科学的一次突破，也为实现可持续发展的工业实践提供了路线图。从木质素到能源与材料的转化之路，正在因这些前沿研究而逐渐清晰。
参考链接：
1.Zhou, N., Wilkes, R.A., Chen, X. et al. Quantitative decoding of coupled carbon and energy metabolism in Pseudomonas putida for lignin carbon utilization. Commun Biol 8, 1310 (2025). https://doi.org/10.1038/s42003-025-08723-3
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来源：生辉SciPhi