【正文】 之轉(zhuǎn)而為人類可持續(xù)發(fā)展服務(wù)的可能途徑?？偟募夹g(shù)途徑可以用下圖表示：天然超分子結(jié)構(gòu)分析抗降解性研究預(yù)處理樣品結(jié)構(gòu)分析酶解過(guò)程構(gòu)效關(guān)系酶系重構(gòu)研究降解機(jī)理研究代謝工程改造代謝網(wǎng)絡(luò)分析糖化、發(fā)酵工程技術(shù)研究酶系合成調(diào)控研究天然植物生物質(zhì)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素材料纖維水解糖過(guò)程耦合集成代謝工程菌株纖維降解酶非酶降解因子高效降解酶系纖維素降解微生物發(fā)酵微生物燃料與化學(xué)品3) 創(chuàng)新點(diǎn)與特色： （1）提出木質(zhì)纖維素的抗降解性是生物質(zhì)難以高效轉(zhuǎn)化的核心問(wèn)題，從納米尺度和生物降解角度來(lái)研究木質(zhì)纖維素超分子結(jié)構(gòu)；（2）深入研究生物質(zhì)的微生物降解的多樣性，尋找新的生物降解因子，設(shè)計(jì)出高效的復(fù)合生物催化劑；（3）使用分子生物學(xué)改造相關(guān)的產(chǎn)酶和發(fā)酵微生物，設(shè)計(jì)和構(gòu)建工程微生物，實(shí)現(xiàn)全糖定向生物轉(zhuǎn)化為生物基產(chǎn)品，并使應(yīng)用生物轉(zhuǎn)化過(guò)程的成本及投資明顯降低；（4）完成木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化技術(shù)的優(yōu)化、耦合和系統(tǒng)集成，為生物質(zhì)綜合生物煉制產(chǎn)業(yè)的建立構(gòu)建理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。利用近紅外（NIR）結(jié)合GCMS細(xì)胞壁組份分析等技術(shù)建立高通量分析、快速測(cè)定生物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的技術(shù)，為明確生物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成與纖維生物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系以及鑒定經(jīng)分子改良的優(yōu)良品系提供便捷的分析手段。3．預(yù)處理過(guò)程中降解屏障的解構(gòu)過(guò)程及其優(yōu)化研究預(yù)處理技術(shù)對(duì)降解屏障的影響，建立高效打開(kāi)酶分子通道的可行方案。探討預(yù)處理過(guò)程中發(fā)酵抑制物的生成動(dòng)力學(xué)。2. 天然纖維素降解的多樣性分析。 用比較基因組學(xué)技術(shù)探尋新的降解策略。分析特定環(huán)境高效酶解體系的多樣性與結(jié)構(gòu)組成，從中尋找能促進(jìn)提高現(xiàn)有酶系催化水解效率的新酶、非酶蛋白質(zhì)或非蛋白因子，并獲得新酶或非酶蛋白因子的克隆表達(dá)；在深入研究闡述這些新降解因子在特殊環(huán)境中木質(zhì)纖維素高效酶解過(guò)程中作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，從中篩選和發(fā)現(xiàn)新的高效、耐逆、適合工業(yè)要求的促纖維質(zhì)降解因子。構(gòu)建纖維素酶、半纖維素酶和最佳酶系的組成和比例以及纖維素材料物理化學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為降解不同的木質(zhì)纖維素資源調(diào)制低成本且高效的復(fù)合酶系提供理論依據(jù)。3. 真菌纖維素酶合成代謝調(diào)控的改造及纖維素酶系的優(yōu)化重構(gòu)選育高分泌表達(dá)菌株；結(jié)合相關(guān)蛋白運(yùn)輸分泌蛋白的轉(zhuǎn)錄表達(dá)分析，探詢纖維素酶的高分泌機(jī)制。針對(duì)絲狀真菌纖維素酶合成代謝關(guān)鍵調(diào)控因子，通過(guò)嵌合體技術(shù)、基因敲除技術(shù)、RNA干擾技術(shù)和基因過(guò)量表達(dá)技術(shù)等對(duì)真菌纖維素酶表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人工改造，探索真菌纖維素酶整體表達(dá)水平提高及纖維素酶各組分酶表達(dá)水平的精確調(diào)控，重構(gòu)具有對(duì)纖維素高效水解糖化能力的纖維素酶系，優(yōu)化纖維素酶各組分的結(jié)構(gòu)。分析包括不可純培養(yǎng)細(xì)菌在內(nèi)的高溫厭氧纖維素降解細(xì)菌群落中纖維素降解相關(guān)基因的分布、豐度、可能的協(xié)作及進(jìn)化關(guān)系。結(jié)合微生物篩選以及酶活力驗(yàn)證，獲得新的纖維素降解關(guān)鍵基因及輔助因子。對(duì)關(guān)鍵蛋白或復(fù)合體進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)解析，從分子水平分析結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系。進(jìn)一步了解及驗(yàn)證纖維小體的結(jié)構(gòu)、功能及其裝配機(jī)制，為其性狀改良奠定必要的理論基礎(chǔ)。：廣泛篩選各種互補(bǔ)性酶組分， 在底物特異性、抗逆性、催化活性、功能互補(bǔ)性等方面尋求最佳酶組合，充分發(fā)揮纖維小體固有的協(xié)同效應(yīng)。最后通過(guò)設(shè)計(jì)緊湊型微型纖維小體，降低體外重組纖維小體的難度，以期減少酶生產(chǎn)成本，最終達(dá)到實(shí)用化。（C. thermocellum）LQR1進(jìn)行遺傳改造，設(shè)計(jì)高溫厭氧細(xì)菌混合培養(yǎng)或熱纖梭菌超級(jí)工程菌產(chǎn)乙醇的CBP路線。對(duì)纖維素生物轉(zhuǎn)化過(guò)程采取多種物理化學(xué)手段進(jìn)行表征，監(jiān)測(cè)從預(yù)處理到發(fā)酵完成過(guò)程中木質(zhì)纖維素原料的變化、抑制物及產(chǎn)物的表觀曲線，監(jiān)測(cè)纖維小體在發(fā)酵過(guò)程中組成成分及酶活性的變化，通過(guò)代謝流和代謝組學(xué)分析，對(duì)CBP發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。利用微生物分子生態(tài)手段，追蹤產(chǎn)纖維小體梭菌在混合培養(yǎng)體系中的動(dòng)態(tài)分布；研究纖維小體與木質(zhì)纖維素的相互作用；解析纖維小體在木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化過(guò)程中的功能，從而解析基于纖維小體產(chǎn)生菌生物強(qiáng)化的木質(zhì)纖維素高效降解及轉(zhuǎn)化的機(jī)理。通過(guò)人工菌群合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)纖維素降解菌和產(chǎn)氫菌的協(xié)同作用，研究人工菌群在糖轉(zhuǎn)化（纖維素、寡糖、二糖、己糖、戊糖）、中間代謝中產(chǎn)物（甲酸等有機(jī)酸）的代謝流相互作用，構(gòu)建人工菌群代謝網(wǎng)絡(luò)模型，解析混合菌群的關(guān)鍵代謝調(diào)控節(jié)點(diǎn)，特別是研究人工菌群中糖代謝對(duì)纖維素降解的解抑制及其緩釋提高產(chǎn)氫菌產(chǎn)氫得率的機(jī)理和方法。2. 微生物遺傳操作體系的建立根據(jù)微生物的遺傳特性，利用基因工程技術(shù)，建立或改進(jìn)其分子操作體系，為菌株的遺傳改造提供高效的技術(shù)平臺(tái)。其次，對(duì)遺傳操作不成熟的放線桿菌、梭菌等，進(jìn)行遺傳體系的探索與建立，為其代謝工程改造提供技術(shù)支撐。利用系統(tǒng)性擾動(dòng)與高通量的分析技術(shù)（如各種組學(xué)技術(shù)），結(jié)合代謝網(wǎng)絡(luò)的定量調(diào)控和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)菌株抗逆性能機(jī)制進(jìn)行研究。選擇大腸桿菌、酵母、梭菌、運(yùn)動(dòng)單胞菌等作為出發(fā)菌株，通過(guò)基因操作的手段，運(yùn)用發(fā)酵和代謝工程的技術(shù)方法，可控制地生產(chǎn)重要平臺(tái)化合物。 建立利用纖維水解全糖組分的系統(tǒng)或者體系，并注重體系的協(xié)同效應(yīng)和高值轉(zhuǎn)化利用。經(jīng)費(fèi)比例：17%承擔(dān)單位：南京工業(yè)大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所課題負(fù)責(zé)人：姜岷學(xué)術(shù)骨干：祁慶生、鮑曉明、何冰芳、蔡恒、譚海東課題木質(zhì)纖維素降解轉(zhuǎn)化過(guò)程強(qiáng)化的工程學(xué)原理與方法研究?jī)?nèi)容：1. 產(chǎn)酶、酶解和發(fā)酵過(guò)程特性與優(yōu)化控制研究 產(chǎn)酶、酶解和發(fā)酵的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究：以降低能耗為目標(biāo)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，解析上述反應(yīng)系統(tǒng)中各因素的相互作用關(guān)系，采用分層建模方式（由簡(jiǎn)單到復(fù)雜）逐步完善纖維質(zhì)原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)敏感性分析，探討底物中抑制物濃度、底物酶解性能與發(fā)酵性能三者之間的定量關(guān)系。 非均相酶解發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)化控制：考慮非均相酶解過(guò)程的主要特點(diǎn)，包括纖維素原料的特點(diǎn)（結(jié)晶度、聚合度、粘度）、纖維質(zhì)原料對(duì)纖維素酶的吸附（特別是木素對(duì)纖維素酶的不可逆失活吸附）等酶解性能與發(fā)酵性能之間的定量關(guān)系，分析溫度、酶用量、底物濃度控制策略。：針對(duì)木質(zhì)纖維素降解轉(zhuǎn)化過(guò)程的特點(diǎn)（極限低水用量、極高固體含量、極低纖維素酶用量與發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)等），研究工業(yè)化約束條件下的資源節(jié)約型過(guò)程集成中的基礎(chǔ)理論問(wèn)題和過(guò)程放大方法論；高粘度多相流體系的混合與傳遞過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬、生物轉(zhuǎn)化與代謝過(guò)程中酶與細(xì)胞狀態(tài)的定量表征與調(diào)控、復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)與酶反應(yīng)體系的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)模型與過(guò)程強(qiáng)化；木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)物的直接分離技術(shù)以及其它新型節(jié)能型分離技術(shù)；木質(zhì)纖維素全組分的物性數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建；基于Aspen plus平臺(tái)上的過(guò)程模型化與優(yōu)化；木質(zhì)纖維素降解過(guò)程全流程集成的MiniPlant評(píng)價(jià)系統(tǒng)。 預(yù)處理、生化反應(yīng)和產(chǎn)物分離過(guò)程的節(jié)能和酶循環(huán)利用：為代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高耗能濃縮生物燃料蒸餾法，致力于將有機(jī)溶劑和水有效分離的新型材料的基礎(chǔ)研究，力圖開(kāi)發(fā)省能源、可連續(xù)式生產(chǎn)的新型膜分離技術(shù)；研究新型酶載體，開(kāi)發(fā)纖維素酶回收技術(shù)，通過(guò)纖維素酶的再循環(huán)利用，降低酶