木质纤维素类非粮生物质是地球上最丰富的可再生有机资源之一，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。整合生物加工（consolidated biprocessing, CBP）和整合生物糖化（consolidated bio-saccharification, CBS）通过整合技术实现高效的木质纤维素转化，不依赖于纤维素酶制剂，可大幅降低过程成本，提升生物炼制的经济可行性。
热纤梭菌（Clostridium thermocellum）是基于CBP和CBS策略进行非粮生物质高效生物转化的理想底盘菌株之一，其具有的纤维小体多酶复合体是目前自然界中已知最高效的纤维素降解体系。然而，热纤梭菌的纤维素降解酶系中缺少外泌的β-葡萄糖苷酶（BGL），导致纤维二糖对纤维小体反馈抑制，同时其半纤维素酶系也较弱，不仅影响半纤维素的降解水平，还由于木聚糖对其关键纤维素酶Cel48S的抑制，进一步影响纤维素的降解效率。因此，热纤梭菌仍然需要系统的基因工程改造，以提升其降解纤维素和半纤维素的效率，进而提升CBP和CBS策略的技术经济可行性。
青岛能源所先进生物炼制与合成研究组此前通过向热纤梭菌引入外源BGL（CaBglA），解决了纤维二糖的反馈抑制问题，构建了三代CBS工程菌株，显著提升了纤维素糖化性能。近期，研究团队进一步聚焦工程菌株遗传稳定性和半纤维素降解能力不足的问题，构建了第四代CBS工程菌株。
研究团队通过基因组整合CaBglA基因构建了工程菌株GB2，相较于第三代基于质粒表达CaBGL的菌株，GB2具备不依赖于抗生素、稳定高效的纤维素降解能力，实现了高达94%的纤维素-葡萄糖转化率。研究团队进一步向GB2中引入来自于明黄梭菌（Clostridium clariflavum）的外源双功能木聚糖酶/木糖苷酶CcXyl0074，以进一步提升热纤梭菌的半纤维素降解能力。结果表明，以预处理的玉米秸秆为底物，质粒表达CcXyl0074的菌株在3天内可将84%的木聚糖转化为单体木糖，说明在保持纤维素高效转化的前提下，CcXyl0074的引入显著增强了热纤梭菌的半纤维素降解能力。
此外，研究团队将CcXyl0074和CaBGL共同整合到基因组中，获得工程菌株GBX1，实现了纤维素酶与木聚糖酶活性的同步增强，以及纤维素和半纤维素组分的高效协同降解，最大糖化速率可达GB2的1.5倍。研究人员还对糖化培养基的配方进行了优化，将培养基成本降低了87.3%，提升了CBS工艺的技术经济性。本研究开发的工程菌株为木质纤维素生物炼制提供了性能更优的全细胞生物催化剂，为整合生物糖化技术的产业化应用奠定了重要基础。
图1 通过基因组整合β-葡萄糖苷酶CaBglA和双功能木聚糖酶/木糖苷酶CcXyl0074实现纤维素与半纤维素降解能力的共同增强
相关研究成果以“Effective conversion of lignocellulose to fermentable sugars using engineered Clostridium thermocellum with co-enhanced cellulolytic and xylanolytic activities”为题发表于Bioresource Technology，研究组博士研究生王晓晴与硕士研究生肖敏为文章共同第一作者，刘亚君研究员与冯银刚研究员为共同通讯作者，日本国际农业科学研究中心的小杉昭彦教授亦对本论文做出重要贡献。论文报道的工程菌株已申请发明专利一项（专利申请号202510997203.0）。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院国际合作项目、山东省泰山青年学者、青岛市科技惠民等项目的支持。（文/图 王晓晴）
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.133466
Xiaoqing Wang#, Min Xiao#, Chao Chen, Kuan Qi, Chaoyang Chen, Qiu Cui, Akihiko Kosugi, Ya-Jun Liu*, Yingang Feng*. Effective conversion of lignocellulose to fermentable sugars using engineered Clostridium thermocellum with co-enhanced cellulolytic and xylanolytic activities. Bioresour. Technol. 2026, 440:133466. doi: 10.1016/j.biortech.2025.133466.
发明专利：一种表达双功能酶的热纤梭菌重组菌株及其构建、应用；专利申请号：202510997203.0，发明人：冯银刚、刘亚君、王晓晴、肖敏；申请日：2025.07.17。
