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木質素是植物細胞壁中含量最為豐富的天然芳香族聚合物，全球每年僅農業和造紙工業就能產生約3億噸的木質素副產物，然而這些資源絕大部分被直接焚燒或廢棄，造成了巨大的碳浪費和環境負擔。 谷氨酸棒桿菌天然具備完整的芳香族代謝通道，能夠將結構各異的木質素單體逐步轉化為原兒茶酸這一中心代謝中間體。 2026年6月18日，山東大學王倩教授與祁慶生教授團隊在《Nature Communications》雜志上發表了一項研究成果，他們以谷氨酸棒桿菌作為工業底盤，成功構建出一套能夠自主運行的層級化生物漏斗系統，可將多種木質素來源的苯丙烷類化合物高效地轉化為高值化學品。
研究團隊在解析該天然漏斗途徑時發現，整個通路可以劃分為第一層負責苯丙烷類化合物的β-氧化反應和第二層將這些中間體進一步轉化為原兒茶酸。但是，野生型菌株的第二層反應速率遠低于第一層，導致大量中間體在發酵液中累積。此外，即便過表達第一層的phd基因簇或者敲除相應的轉錄阻遏物來強行增強上游通量，中間體的堆積反而更加嚴重。研究團隊為了從根本上克服這一瓶頸，他們對谷氨酸棒桿菌進行了長期的適應性實驗室進化。研究團隊經過了多代馴化后獲得的STALE9菌株對咖啡酸、對香豆酸和阿魏酸的耐受濃度從原先的20–32毫摩爾分別躍升至80毫摩爾和70毫摩爾，并且表現出對三種底物的交叉耐受特性。
研究團隊在以上的基礎上，他們分析了谷氨酸棒桿菌中6種內源芳香族化合物響應型別構轉錄因子，并開發出相應的生物傳感器。作者在等溫滴定量熱實驗發現核心調控蛋白PhdR對三種底物均具有微摩爾級別的結合親和力，但體內熒光報告實驗顯示有效響應范圍偏移到了毫摩爾級別，這種體內外差異很可能源于跨膜運輸限制導致的胞內配體可用性不足以及轉錄因子表達水平的制約。研究團隊為了克服這些限制，他們針對三個核心調控節點分別設計了信號調制優化策略：通過系統分析操縱子結構并構建組合型雜交啟動子文庫，提升PhdR節點的動態范圍，而PcaO節點由于激活能力有限，團隊轉而引入來自粗糙脈孢菌的QF/QUAS轉錄放大回路，使其動態范圍躍升至17.36。隨后，在最優菌株SASR7實驗中表明，對于50毫摩爾的咖啡酸，該系統在18小時內即可達到99.96%的轉化率；對于對香豆酸和阿魏酸，轉化率也分別達到99.99%和99.98%。此外，當以模擬玉米秸稈堿預處理液的混合底物進行發酵時，SASR7在30小時內將99.89%的底物全部轉化為原兒茶酸，中間體積累始終維持在5毫摩爾以下。
研究團隊通過在SASR7中整合異源芳基脫羧酶基因并優化關鍵酶表達強度，他們實現了順,順-粘康酸和β-酮己二酸的高效合成。在5升生物反應器的補料分批發酵中，原兒茶酸的產量達到了53.40克/升，順,順-粘康酸達到51.90克/升，β-酮己二酸達到38.33克/升，生產強度均在0.80克/升/小時以上。此外，當直接使用未經任何脫毒處理的真實玉米秸稈堿預處理液作為底物時，SASR7在12小時內完全消耗了其中的對香豆酸和阿魏酸，并同步產出原兒茶酸，摩爾轉化率高達99.44%。
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