《Current Opinion in Biotechnology》：Systems-level regulation principles for microbial lignin valorization
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木质素生物转化面临结构复杂性导致的代谢调控挑战，综述提出系统级调控策略：转录因子工程协调多基因表达提升适应性，动态生物传感器实时调控代谢流，结合合成生物学工具优化碳流分配与路径鲁棒性，未来需融合机器学习与多层级调控加速工业化应用。
Jie Zhang|Na Li|Hong-Yu Chen|Bing-Zhi Li|Zhi-Hua Liu
中国天津大学、福州大学和天津大学联合国际研究所
木质素是芳香碳最丰富的可再生资源，在可持续生物制造领域具有巨大潜力。然而，从木质素中提取芳香化合物的复杂性给细胞工厂的代谢调控带来了显著挑战，从而限制了生物转化的效率。本文综述了实现微生物木质素转化的系统级调控原理，包括微生物细胞工厂中的代谢调控、基于转录因子的调控以及基于动态生物传感器的调控。合成生物学工具共同增强了代谢通量的分布和途径的稳定性。转录因子工程能够实现多基因的协调调控，并提高微生物对多种芳香底物的适应性。动态工程策略提供了精确的实时代谢控制。总体而言，这些调控策略构成了一个综合框架，用于提高木质素生物转化细胞工厂的稳定性、响应性和整体效率。展望未来，机器学习引导的设计、系统级通量重编程和多层次调控整合的结合有望加速高效、适应性强且可工业化扩展的木质素转化平台的发展。
引言
木质素是芳香碳最丰富的可再生资源，是可持续生物精炼的基石[1, 2]。尽管具有这种潜力，但木质素仍大多未被充分利用，主要被用于低价值能源的回收[3]。根本障碍不在于缺乏有效的催化途径，而在于木质素本身的结构异质性，这严重限制了其高效转化[4, 5]。近年来，生物转化引起了越来越多的关注，因为它具有高选择性和与可再生原料的兼容性。例如Pseudomonas putida和Rhodococcus opacus等微生物，是能够分解和吸收木质素的天然进化平台，可以用于合成芳香精细化学品、聚羟基烷酸、脂质和二元羧酸[6, 7, 8]。
木质素的生物合成源自三种单木质酚——p-香豆酚、松脂醇和芥子酚，它们通过多种连接方式形成p-羟基苯基（H）、香豆酰（G）和丁香酚（S）单元。其中，β-O-4-芳基醚键占主导地位，并且会随着生物质类型和分离方法的不同而变化[9]。这种结构多样性导致了底物的显著异质性，即木质素衍生芳香物质的组成和结构变化[10]。为了解决这一问题，微生物转化通常遵循一个多步骤框架，包括分解、生物导向路径和芳香环断裂途径[8, 11]。生物导向路径是一种协调的微生物过程，将结构多样的木质素衍生芳香物质转化为少数几种核心中间体（如原儿茶酸），这些中间体是下游转化的关键代谢节点[12]。通过将异质底物汇聚到共同的途径中，该策略简化了化学复杂性，并促进了后续的环断裂反应和碳通量向高附加值产品的重新分配。尽管这一概念已经成熟，但其实际应用仍面临挑战。
在细胞水平上，微生物木质素转化面临复杂的代谢挑战。木质素衍生芳香物质的多样性导致途径利用不均、通量不平衡以及抑制性中间体的积累。关键反应如O-去甲基化、羟基化和脱羧化经常造成动力学瓶颈[13, 14, 15]。此外，天然的芳香物质分解途径（包括β-酮二酸途径）往往与木质素分解产生的单体分布不匹配，需要大量的途径调控[16, 17]。系统级分析进一步揭示了芳香碳代谢、细胞能量平衡和氧化还原辅因子供应之间的紧密耦合，指出了静态途径工程策略的局限性[18]。
这些挑战凸显了系统级代谢调控作为木质素生物转化核心设计原则的必要性。调控策略的目的不是简单地引入新酶，而是协调途径活性、平衡代谢通量，并使细胞响应动态底物输入。模块化途径重建和空间或功能分区提供了对通量分布和中间代谢物积累的定量控制。除了静态控制之外，基于转录因子（TF）的调控和基于动态生物传感器的调控能够实现底物响应性和时间依赖性的木质素转化途径调节，将异质木质素流转化为更可预测的代谢输入[19, 20]。
本文总结了木质素转化系统级代谢调控的最新进展，重点介绍了工程化细胞工厂、基于转录因子的调控和基于动态生物传感器的调控方法，包括启动子工程、分区、模块化途径设计以及全局和底物响应性转录因子，以提高协调性和通量分布。总体而言，系统级调控方法有望提升木质素生物转化平台的效率、稳定性和可扩展性（表1）。
部分摘录
微生物细胞工厂中木质素生物转化的代谢调控
天然微生物途径在木质素转化过程中受到异源基因表达效率低、酶活性低、碳利用不均以及木质素衍生中间体积累的制约[4, 21]。工程化微生物细胞工厂中的代谢调控为克服这些障碍提供了有效途径。通过启动子和酶工程、分区和途径模块化等策略，可以实现通量控制的改进和代谢负担的减轻
基于转录因子的木质素生物转化调控
木质素分解微生物依赖于高度互联的芳香代谢网络，而非线性途径[19]。基于转录因子的调控能够实现对整个调控子或途径模块的协调控制，使微生物能够适应木质素信号并实时重新分配代谢通量，从而大大减少工程迭代次数[42]。因此，基于转录因子的调控越来越被视为系统级微生物木质素重组的效率策略基于动态生物传感器的木质素生物转化调控
发酵过程中代谢需求不断变化，积累的木质素衍生芳香物质常常抑制自身的分解酶。这种动态不平衡常常导致通量阻塞、产量下降和过程过早停滞[55]。基于动态生物传感器的调控通过实时感知细胞内中间体或环境信号来自动调整代谢通量[21]。通过将代谢状态检测与结论与未来展望
系统级调控策略提高了底物响应性、对抑制性中间体的耐受性以及木质素衍生芳香物质复杂途径中的通量稳定性。尽管取得了这些进展，但木质素分解菌株的稳健性能仍有限，包括对辅因子敏感的酶、模块间的细胞资源竞争以及放大过程中的调控精度损失。未来的研究应重点关注机器学习引导的启动子、转录因子设计CRediT作者贡献声明
Jie Zhang：撰写——原始草稿、研究、可视化。Na Li：撰写——原始草稿、研究、可视化。Hong-Yu Chen：撰写——审稿与编辑。Bing-Zhi Li：监督、资金获取。Zhi-Hua Liu：撰写——审稿与编辑、资金获取、监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3403500）和合成生物学国家重点实验室自主创新基金（HCZC-202602A）的财政支持。
