上海交大开发iMECS策略，高效合成多种芳烃

在作物秸秆、木屑、甘蔗渣等生物质处理过程中，传统生物精炼厂每年会产生超过 2 亿吨木质素废弃物。由于木质素结构稳定、难以降解，传统处理方式多为焚烧，不仅资源未被有效利用，还带来了大量温室气体排放和环境污染。

木质素衍生的阿魏酸等芳香族化合物是合成香兰素、姜黄素、覆盆子酮等高附加值天然产物的重要原料，这些产物广泛应用于食品、香精、医药和化妆品行业。因此，如何实现木质素的高效、高值利用，成为绿色制造领域亟待突破的关键问题。

近日，上海交通大学生命科学技术学院/张江高等研究院合成科学创新研究中心倪俊团队在 Nature Synthesis 发表了一篇题为“Chemoenzymatic platform with coordinated cofactor self-circulation for lignin valorization”的研究，让木质素“变废为宝”成为现实。团队开发了一种 iMECS 策略（辅因子自循环的体外多酶协同表达），成功将木质素单体转化为姜黄素、香兰素等高价值产品，转化率超过 90%，且全程无需添加昂贵辅因子，为碳中和目标下的绿色制造提供了全新思路。

传统利用木质素的方式主要面临两大瓶颈：辅因子依赖，多数生物催化过程需要三种昂贵辅因子（ATP、NADPH、CoA）作为能量或电子供体，其成本可占整个转化流程 60% 以上；酶活性不平衡，多种酶串联参与转化路径，若某一酶活性较低将限制整体反应效率导致产率不足 20%。

为此，iMECS 系统提出两项关键创新。

构建辅因子自循环网络。团队在体系中引入了多种“辅因子再生酶”，通过消耗廉价原料，实现了对 ATP、NADPH、CoA 等辅因子的内部循环再生。系统不再需要添加任何外部辅因子，显著降低了反应成本。

体外多酶协同表达，灵活组装。iMECS 不依赖细胞内部代谢，而是直接在大肠杆菌裂解液中合成关键酶。研究人员可以直接添加不同酶的 DNA 模板快速表达所需酶类，大大简化了流程，并消除了细胞代谢对产物生成的干扰。

为了验证 iMECS 系统的效率，研究团队以木质素单体阿魏酸为起点，以姜黄素为目标产物，成功设计并搭建了一个由四种关键酶组成的转化模块。姜黄素是一种治疗性多酚，预计到 2027 年全球市场规模将达到约 1.5 亿美元。

这四种酶分别是：FCS（阿魏酰辅酶 A 合成酶），来自一种嗜热菌，催化效率是植物来源 4CL 酶的 4.1 倍，并能在 50℃ 下保持稳定；CUS（姜黄素合酶），来源于水稻，负责生成姜黄素； MatB 与 PPK，用于 CoA 和 ATP 的补充。

该系统将木质素单体阿魏酸高效转化为 126.4 mg/L 的姜黄素。为了进一步提高效率，团队使用机器人液体操作平台筛选了 1296 种酶比例组合，最终发现最优配比为 FCS:CUS:MatB:PPK = 2:1:3:2。在该条件下，姜黄素的生成速率达 0.175 g/L/h，是传统微生物合成路径的 14 倍以上，摩尔产率为 95.31％。

不仅如此，iMECS 还可拓展至其他高价值化合物如香兰素、覆盆子酮。比如，在香兰素合成中，团队构建了包含五种关键酶的转化路径，实现阿魏酸一步转化为香兰素，并同步完成 ATP 与 CoA 的再生。通过将反应温度调高至 50℃，有效屏蔽了大肠杆菌裂解物中非特异性副酶活性，香兰素产率由 44% 提升至 98%；在覆盆子酮合成中，研究人员则通过上下游模块搭建，并融合关键酶 CurA 和 FDH 以提升反应稳定性和辅因子再生效率，最终在不添加外源辅因子的条件下实现了 91.56% 的转化率，比现有微生物路径提升了 48 倍。

研究人员还利用该系统合成白藜芦醇和柚皮素。通过简单地替换关键酶，利用 iMECS 系统从对香豆酸合成了 57.9 mg/L 的白藜芦醇和 122.3 mg/L 的柚皮素。经过进一步优化质粒比例，白藜芦醇和柚皮素的产量分别提高到 211.3 mg/L 和 229.1 mg/L，转化率分别达到 92.58% 和 84.2%。

此外，这套系统在应用于真实世界的农业废弃物处理时表现同样亮眼。研究人员以玉米芯、甘蔗渣、花生秧、咖啡渣等常见农废为原料，先通过温和碱解释放木质素单体，再直接投入 iMECS 体系中。

结果显示，无需任何纯化步骤，就能将上述农废直接转化为目标芳香物，最高日产量可达 36.5 g/L/day。对比传统方法，这种方法的生产效率提升了 1.2 至 35 倍不等。

该研究提供了一个通用的无辅酶平台，可将木质素高效转化为多种有价值的芳烃，从而促进可持续生物精炼厂的进一步发展。尽管目前 iMECS 尚处实验室阶段，但其构架灵活、模块化程度高的特点，令其应用前景值得期待。

参考文献：

1. Liu, L., Wang, X., Wu, Y. et al. Chemoenzymatic platform with coordinated cofactor self-circulation for lignin valorization. Nat. Synth (2025). https://doi.org/10.1038/s44160-025-00819-2

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