木质纤维素生物炼制生产各种生物基产品在保障能源安全、保护环境、减少碳排放、促进社会可持续发展等方面都具有重要意义。木糖是自然界中储量最丰富的五碳糖，是秸秆等木质纤维原料中除葡萄糖外最主要的糖组分，占木质纤维素总糖的35%左右，也是木质纤维素“糖”平台区别于淀粉糖的关键之一。高效的木糖转化是木质纤维素生物炼制的一大核心问题。尤其，酿酒酵母这一重要工业菌种天然缺乏木糖代谢途径，严重限制了其转化木质纤维素糖的能力。木糖异构酶（Xylose isomerase，XI）能直接将木糖转化为木酮糖，是赋予目标微生物利用木糖生成目标产物的首选木糖代谢元件。然而，由于蛋白质错误折叠、翻译后修饰、二硫键形成和不适温度等原因，只有少数XI在酿酒酵母中表现出活性。挖掘和构建更多高活性XI对于以酿酒酵母为底盘细胞的木质纤维素生物炼制具有重要意义。
图1. 利用数据挖掘、理性改造、祖先序列重构方法构建木糖异构酶元件库
近日，环境与生物工程学院金明杰教授团队利用数据挖掘、理性改造和祖先序列重构等多种方法获得了十余条在酿酒酵母中具有活性的XI序列，彻底终结了酿酒酵母中活性木糖异构酶匮乏的窘境。团队利用这些XI构建了多株可高效利用木糖的重组酿酒酵母菌株，在预处理后的木质纤维素原料玉米秸秆和玉米芯上，不水洗、不脱毒的情况下，发酵分别生产高达86.0 g/L和94.8 g/L的纤维素乙醇！研究工作主要包括：1）从NCBI数据库中获得XI氨基酸序列，并构建XI系统进化树，分析XI分布规律；2）从进化树上挖掘潜在有活性的XI并对活性XI进行系统研究；3）通过改造无活性XI的N端结构赋予其活性；4）构建多个进化树分支节点的XI祖先序列并测试其活性；5）利用获得的活性XI构建木糖代谢酵母，并通过进化工程提升其木糖利用能力；6）分别以预处理玉米秸秆和玉米芯为原料进行生物炼制转化生产纤维素乙醇。该研究工作促进了木质纤维素生物炼制技术的发展，也为挖掘其他有价值的酶提供了实际参考和借鉴。
相关研究内容于2023年2月1日在Science子刊 Science Advances上发表，论文题目为“Big data mining, rational modification, and ancestral sequence reconstruction inferred multiple xylose isomerases for biorefinery”（论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add8835）。本论文南京理工大学环境与生物工程学院为第一单位，金明杰教授为该论文的唯一通讯作者，博士后陈思同和副教授许召贤为论文的同等贡献第一作者，博士生丁伯宁、章煜炜、蔡成固和硕士生刘双梅、李沐紫及密歇根州立大学Bruce E. Dale教授为论文的共同作者。
