华中农业大学生物质能团队在纤维素纳米结构和高值化利用领域取得系列进展和突破

如何高效利用废弃秸秆的木质纤维素是在“双碳”背景下亟需解决的农业和工业的共性问题。纤维素作为植物细胞壁的刚性骨架物质，是地球上含量最为丰富的大分子聚合物。然而，由于长期缺乏对纤维素超微结构的理论认知，实际应用中往往难以低成本的生产纤维素能源和材料。因此，生物质能团队一直专注于解开“纤维素基本构型和降解转化效应”的谜题。

前期，生物质能团队鉴定了一个天然水稻纤维素突变体Osfc16，其纤维素合酶OsCesA9亚基的P-CR区域发生点突变，不仅可以提高生物质产量和植物抗倒伏能力，还可提前终止纤维素链的延长，提升降解效率（Li et al., 2017）；同时发现，利用突变体Osfc16所制备的纳米纤维具有更好的乳化性能和诱导产酶能力（Peng et al., 2022）。因此，从遗传的角度来解析纤维素的超微结构，揭示其对纳米产物性能的作用关系，将有望填补纤维素超微构型的理论空白，还有望创建稻米优质稳产、稻秆高效利用的水稻种质资源，增加经济效益。

近日，Nature Communications在线发表了生物质能团队题为“Single-molecular insights into the breakpoint of cellulose nanofibers assembly during saccharification”的研究论文¹。该论文延续前期的研究，深入解析突变体Osfc16的纤维素超微结构变异。该研究利用配备单分子识别系统的原子力显微镜技术，在突变体Osfc16中发现了长度缩短的纳米纤维组装，直接产生了高密度无定形纤维素区域。通过使用单个类型的纤维素酶原位酶解，在突变体Osfc16中观察到更加有效的酶催化模式。此外，在体外实验中还研究了突变体Osfc16所产生的纤维素纳米纤维能够转化为尺寸缩小的纳米晶。据此，总结突变体Osfc16中同时存在纵向尺度上的无定形纤维素区域和内部断裂的纤维素链，能够作为启动和完成纤维素水解成更高产量的可发酵糖的突破点。这项研究微观观察了植物纤维素底物的降解和转化过程，同时揭示了纤维素纳米改良的可能性。

图1 AFM原位实时和单分子观测纤维素酶解过程

延续上一研究，Green Chemistry 同期在线发表了生物质能团队题为“High density cellulose nanofibril assembly leads to upgraded enzymatic and chemical catalysis of fermentable sugars, cellulose nanocrystals and cellulase production by precisely engineering cellulose synthase complexes”的另一篇研究论文²。该项研究通过定点编辑OsCESA4，7，9的不同结构域，能够产生变异度极大的纤维素突变体，从而提供丰富的优质纳米纤维素库。在这项研究中，三个基因编辑的CESA亚基均可独立的产生长度减小的纳米纤维，产生高密度的无定形纤维素区域持续增强的生物质酶解。同时，CESA亚基的三个敲除突变体能够高效地制备出迄今为止尺寸减小最多的纳米晶，可作为高价值生物制品的最佳中间体。此外，改进后的纤维素纳米纤维还能有效诱导真菌（T. reesei）分泌纤维素酶。该研究不仅实现纤维素定向纳米改良的可能性，还揭示了OsCESA4，7，9复合体具有等比例的超对称结构，对未来纤维素定向纳米改良的极限突破提供了理论基础。

图2 OsCESA4，7，9复合体超对称构型与产物特性模式图

进一步，Bioresource Technology 在线发表了生物质能团队题为“Intermitten ultrasound retains cellulases unlock for enhanced cellulosic ethanol with high-porosity biochar for dye adsorption using desirable rice mutant straw”的研究论文³。该研究在基因编辑的CESA突变体基础上，配套间歇式超声预处理技术，可获得81%的纤维素降解效率和9.9 g/L的生物乙醇产量。同时，能够产生超高孔隙度的生物炭(S_BET为2971 m²/g)，其对刚果红和亚甲基蓝的吸附量分别为7946 mg/g和861 mg/g。这项研究展示了纤维素定向纳米改良配套绿色预处理技术在生产生物能源和材料上的巨大优势。

图3 cesa9编辑材料配套间隔超声技术提升乙醇产率和材料吸附性能

    基于优质木质纤维材料配套绿色技术的思想，Bioresource Technology 在线发表了生物质能团队题为“Challenges and perspectives of green-like lignocellulose pretreatments selectable for low-cost biofuels and high-value bioproduction”的综述性论文⁴。该综述阐明了生物质预处理工艺的基本原理，整理了可用于接近完全糖化的最佳生物质预处理技术，以实现生物燃料产量最大化。在此基础上，综述更新了应用于生成高价值的纳米和功能材料的预处理技术。最后，提出了适用性战略思路共同生产生物燃料和纳米材料以期实现木质纤维素全利用。

图4 预处理降低木质纤维素抗降解性过程中的构型变化

1.   论文1：华中农业大学植物科学技术学院博士后张冉和胡振为第一作者，生物质能团队彭良才教授、乔治亚大学Bingqian Xu教授，湖北文理学院余海忠为共同通讯作者。

2. 论文2：华中农业大学植物科学技术学院博士后张冉和胡振为第一作者，生物质能团队彭良才教授为通讯作者。

3. 论文3：华中农业大学植物科学技术学院博士后胡振和硕士生李倩为第一作者，生物质能团队彭良才教授通讯作者。

4. 论文4：华中农业大学植物科学技术学院博士后张冉为第一作者，生物质能团队王艳婷教授为通讯作者。

参考文献：

1) Li FC^#, Xie GS^#, Huang JF, Zhang R, Li Y, Zhang ML, Wang YT, Li A, Li XK, Xia T, Qu CC, Hu F, Ragauskas AJ, Peng LC*. OsCESA9 conserved-site mutation leads to largely enhanced plant lodging resistance and biomass enzymatic saccharification by reducing cellulose DP and crystallinity in rice. Plant Biotechnol J, 2017, 15: 1093-1104

2) Peng H^#, Zhao WY^#, Liu JY, Liu P, Yu HZ, Deng J, Yang QM, Zhang R, Hu Z, Liu SL, Sun D, Peng LC, Wang YT*. Distinct cellulose nanofibrils generated for improved Pickering emulsions and lignocellulose-degradation enzymes secretion coupled with high bioethanol production in natural rice mutant. Green Chem, 2022, 24:2975-2987