类型b：这是一篇发表在《合成生物学》期刊上的综述论文。
本文作者为华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室、鲁华生物技术研究所及中国轻工业生物催化与智能制造重点实验室的柴猛、王风清和魏东芝。该综述于2024年发表在《合成生物学》第5卷第6期，主题是探讨以木质纤维素为原料，通过生物转化技术合成有机酸，以用于制备生物可降解材料的研究进展。
文章的核心主旨在于系统梳理和讨论如何将地球上最丰富的可再生资源——木质纤维素，高效地转化为高价值的有机酸平台化合物，从而为应对“白色污染”和实现绿色可持续发展提供解决方案。文章围绕这一核心，从原料预处理、生物制造策略到具体产品案例展开了详尽的论述。
文章首先阐述了研究背景与木质纤维素的预处理技术。作者指出，传统塑料的过度使用导致了严重的“白色污染”和资源枯竭问题，而开发以木质纤维素为原料的生物可降解材料是理想的替代路径。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分构成，这三者间形成的致密网状结构是其高效降解的主要障碍。因此，预处理是实现其增值转化的第一步。文章系统总结了物理法、化学法、生物法及物理-化学共处理等多种预处理技术。物理法如机械粉碎，旨在降低粒径和结晶度，但能耗较高；化学法如酸、碱处理，效率高但可能产生抑制下游发酵的毒副产物；生物法则温和环保，但周期过长。为克服单一方法的局限，组合多种手段如蒸汽爆破、热碱处理等物理-化学共处理方法成为研究热点。同时，离子溶液、深共晶溶剂等新型绿色预处理技术因高效环保而备受关注，尽管多数仍处于实验室阶段。
在预处理之后，文章进一步讨论了提高木质纤维素组分分离效率的工艺。第一，针对预处理过程中产生的对微生物有抑制作用的物质，如呋喃、酚类和弱酸，总结了物理吸附、化学还原剂处理、生物酶法脱毒及驯化抗毒菌株等多种脱毒技术。第二，为充分实现木质纤维素的全组分利用，避免资源浪费，文章介绍了还原催化分馏工艺。该技术将生物质分馏与木质素解聚相结合，可直接从木质纤维素中获取高价值的芳香族单体。文章讨论了在该工艺中，均相与非均相催化剂的选择、反应溶剂体系（如利用溶剂转移供氢）以及无氢还原催化分馏工艺的研究进展，为木质素的高效转化提供了新思路。第三，为了降低生产成本，文章探讨了联合生物处理等绿色生物制造工艺，该策略整合了水解酶生产、糖化和发酵等多个环节，通过构建微生物共培养体系，有望显著提升木质纤维素生物转化的经济性，例如已报道的利用嗜热厌氧杆菌与产琥珀酸放线杆菌共培养生产丁二酸的案例。
在奠定了原料处理的讨论基础后，文章的主体部分聚焦于以木质纤维素为底物，通过合成生物学手段进行高价值有机酸的绿色生物制造，并分别以直链有机酸和环状有机酸为例进行了论证。
在直链有机酸方面，文章重点讨论了丁二酸、3-羟基丙酸和黏康酸。对于丁二酸，作者将其生物合成途径总结为厌氧条件下的三羧酸循环还原分支、好氧条件下的氧化分支及乙醛酸途径三条。文章以大肠杆菌等模式微生物为例，介绍了构建高产工程菌的代谢工程策略：包括敲除副产物合成基因、增强前体物草酰乙酸的供给、过表达关键酶和解除产物反馈抑制等。通过这些策略，丁二酸的产量已突破150克/升。为降低成本，同步糖化发酵和联合生物处理等利用木质纤维素水解液或直接利用生物质的策略也被成功应用，例如一株耐受糠醛的大肠杆菌工程菌可从半纤维素水解液中直接合成32克/升的丁二酸。
对于3-羟基丙酸（3-HP），文章总结了其合成途径：甘油途径、β-丙氨酸途径和丙二酰辅酶A途径。其中，丙二酰辅酶A途径因催化步骤少、可利用木质纤维素来源的糖而成为研究热点。文章以多形汉逊酵母、假土曲霉和谷氨酸棒杆菌等为底盘，阐述了通过增强乙酰辅酶A前体供应、重塑中枢代谢、微室化定位合成途径、强化产物外排以及构建葡萄糖和木糖共利用系统等合成生物学策略，显著提升了3-羟基丙酸的产量，最高已达79.6克/升。同时，文中强调，由于3-羟基丙酸的酸性会抑制细胞生长，筛选能在低pH条件下发酵的丝状真菌和鲁棒性强的谷氨酸棒杆菌是实现高产的关键。
对于黏康酸，文章指出其可利用莽草酸途径或木质素衍生的芳香族化合物经由β-酮己二酸途径合成。在利用糖类合成方面，为解决葡萄糖-木糖共利用效率低下的问题，提出了“平行代谢途径工程”策略，并结合代谢模型与适应性进化，使工程菌株能同时利用这两种糖高效合成黏康酸，产量达到33.7克/升。在利用木质素衍生芳香族化合物合成方面，通过在谷氨酸棒杆菌中改造相关代谢途径，能以儿茶酚或香兰素等为底物实现高产，产量高达85克/升。但高浓度的芳香族底物和产物对微生物的毒性是主要挑战，因此，利用生物传感器筛选耐受性增强的突变株成为关键的研究方向。
在环状有机酸方面，文章重点介绍了2,5-呋喃二甲酸（FDCA）。FDCA是一种极具潜力的生物基聚酯单体的前体，可由5-羟甲基糠醛（HMF）氧化而来。文章指出，与化学催化氧化法相比，生物法具有条件温和、选择性高、环境友好等优势。从HMF到FDCA的生物合成需要三步连续的氧化反应，文章列举了两种主要的生物合成方式：一是通过全细胞催化，利用工程菌株如恶臭假单胞菌，在温和条件下高效转化HMF合成FDCA；二是通过体外多酶级联反应，实现HMF向FDCA的转化。
最后，文章对生物可降解材料产业链的发展趋势进行了总结和展望。其重要的科学价值和应用价值在于：它系统地论证了利用木质纤维素替代化石资源合成有机酸单体的可行性和巨大潜力。文章明确指出，通过开发新型高效的预处理技术、提高微生物细胞工厂的鲁棒性、设计木质纤维素全组分的综合转化途径等策略，可进一步优化有机酸的生产性能，从而推动生物基可降解材料的工业化进程，对缓解全球能源危机和解决“白色污染”具有深远意义。