【生物基能源与材料】获悉，6月10日，美国国家可再生能源实验室Gregg T. Beckham教授、Allison Z. Werner教授联合威斯康星大学麦迪逊分校Shannon S. Stahl教授课题组的研究人员提出了一条“先还原、再氧化、再生物漏斗化”的串联路线，将杨木木质素转化为己二酸这一尼龙6,6关键单体。

该策略首先通过催化加氢脱氧将木质素衍生的酚类混合物转化为无抑制性的烷基芳烃，再模拟工业对二甲苯制对苯二甲酸的条件，将该烃类混合物催化氧化为芳香族羧酸单体，进而通过工程化的恶臭假单胞菌进行生物 funneling 生成粘康酸内酯，最终加氢得到己二酸。

本文报道了该集成工艺在杨木木质素原料上的实验结果，实现了26 wt%的己二酸产率（以木质素质量计），为复杂木质素原料的高值化利用提供了一条可行的技术路径。

相关论文以“Lignin to adipic acid in a high-yield chemical and biological redox process”为题，发表在《Nature》上。Kathryn M. Mains, Chad T. Palumbo, Davide Rigo, Matthew S. Webber为共同第一作者。

图文解析

传统石化工业中通过催化还原与氧化耦合将芳香烃转化为高价值化学品，以此为借鉴，本工作呈现了“还原-氧化-生物转化”三阶段路径：

首先通过催化加氢脱氧（HDO）将木质素衍生的酚类混合物转化为无抑制性的烷基芳烃，随后采用类似工业对二甲苯制对苯二甲酸的条件进行催化自氧化，生成芳香族羧酸单体，再经工程菌株生物漏斗（biological funnelling）转化为粘康酸内酯，最终加氢得到己二酸。

图1：对比传统石油基己二酸生产路线与本文提出的木质素基路线。传统路线以苯为原料，经环己烷和KA油制备己二酸；新路线则以木质素为起点，通过还原催化分级、加氢脱氧、自氧化、生物漏斗化和氢化，最终制备己二酸。

为评估催化自氧化步骤的可行性，研究团队首先对Co/Mn/Br催化体系进行了系统优化。

在乙酸溶剂中，通过考察温度（160–220 °C）、氧气压力（6 bar）、反应时间及催化剂负载量等因素，确定最优条件为：5% Co(OAc)₂·4H₂O、5% Mn(OAc)₂·4H₂O、1% NaBr（以底物质量计），于220 °C下反应3小时。在此基础上，进一步测试了杨木HDO油中典型烷基芳烃组分的氧化活性。

结果表明，占主要单体的丙基苯经氧化C–C键断裂后，以93 mol%的产率生成苯甲酸；三种甲基丙基苯异构体及茚满可转化为苯二甲酸异构体，产率在54–76 mol%之间；二聚体联苄则转化为两当量苯甲酸（90 mol%）。

最后，将该优化条件推广至松木和桦木来源的HDO油，所得芳香族羧酸单体产率分别为69±0.1 wt%和67±1 wt%（以HDO油计），与杨木的67±1 wt%高度接近，证明该催化自氧化策略对不同木本原料具有良好的通用性。

图2：展示木质素油的催化自氧化过程。作者优化Co/Mn/Br催化体系，将HDO油高效转化为芳香羧酸；模型化合物证明芳香C–C键可被氧化裂解；杨木、松木和桦木来源底物均表现出较高单体收率。

为实现混合芳香酸到单一产物的生物转化，研究团队对P. putida KT2440进行了系统的代谢工程改造。

由于该菌株天然不具备代谢邻苯二甲酸的能力，研究者首先通过环境富集、基因组测序和同源基因筛选，从Stutzerimonas stutzeri AG8816和Cupriavidus necator AG8838等分离株中挖掘出邻苯二甲酸转运与分解基因，并结合已报道的间苯二甲酸和对苯二甲酸途径，通过同源重组将这些基因整合到菌株基因组中，构建出初始工程菌AW521。该菌株能完全消耗等摩尔混合的苯甲酸及三种苯二甲酸异构体（总浓度10 mM），但在邻苯二甲酸上生长存在约24小时的延滞期。

通过适应性实验室进化，研究者获得了延滞期缩短6倍的突变株KMM026，全基因组测序发现突变位点位于ophK核糖体结合区。在此基础上，敲除* pcaD*（编码3-氧己二酸烯醇内酯酶）得到最终菌株KMM037，该菌株可将四种主要底物（苯甲酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸）通过β-酮己二酸途径的儿茶酚分支和原儿茶酸分支汇聚至粘康酸内酯。

在摇瓶培养中，KMM037对商业模拟混合物（含所有鉴定出的芳香酸）和真实杨木自氧化底物的粘康酸内酯摩尔产率分别达到95±0.3%和85±2%，而对松木和桦木来源自氧化底物的产率分别为85±7%和89±2%，三者之间波动小于5 mol%，表明该生物漏斗策略对不同木本原料具有良好的通用性和稳健性。

图3：展示工程菌Pseudomonas putida KT2440的生物漏斗化策略。通过整合苯甲酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸和对苯二甲酸代谢路径，并删除关键基因，工程菌可将混合芳香酸统一转化为黏康内酯。

为实现工艺相关的性能评估，研究团队将培养规模放大至0.5 L生物反应器。

在恒定补料条件下，以模拟芳香混合物为底物时，粘康酸内酯的最高滴度可达25 g/L，摩尔收率为89%，生产强度为0.35 g/(L·h)。当换用真实的杨木自氧化底物后，体系仍然能够产出18 g/L的粘康酸内酯，收率保持在78%，芳香族底物的整体转化率高达94%。尽管真实底物中可能残留少量未能定量的芳香副产物，对菌株的生长速度和产物选择性造成了一定干扰，但整体结果已经说明，这套工艺并非停留在摇瓶级别的概念验证，而是具备了进一步放大和优化潜力的可行路线。

在化学转化环节，作者进一步将粘康酸内酯转化为真正的尼龙单体。

通过酯化、开环、加氢以及水解等一系列反应，粘康酸内酯可以99%的收率转变为己二酸；另一条路径则以90%的收率得到β-酮己二酸二甲酯，该化合物可用于制备性能增强型尼龙或用作聚合物添加剂。这些结果表明，木质素不再仅仅是燃烧供能的副产物，而可以成为通向高性能聚合物单体的一条芳香碳资源新途径。

图4：展示黏康内酯的反应器放大生产及后续化学转化。模拟底物最高获得25 g L⁻¹黏康内酯，真实木质素自氧化底物获得18 g L⁻¹；黏康内酯可进一步高收率转化为己二酸和二甲基β-酮己二酸酯。

总结与展望

本研究展示了一种将木质素转化为单一产物（如己二酸）的概念验证工艺。该工艺结合了加氢脱氧（HDO）、自氧化和生物漏斗步骤，理论产率可达57 wt%（每克木质素产0.57克产物）；在未优化的小规模实验中，实际产率达26 wt%（每克木质素产0.26克己二酸）。

与大多数仅能断裂C–O键的木质素解聚技术不同，该方法通过对提取的木质素进行两步HDO-氧化处理，先去除抑制性酚基，从而实现了芳香烃低聚物中C–C键的高效断裂。自氧化产物具有高单体含量和优异的水溶性（100 g/L），有利于下游生物转化。HDO和氧化步骤均采用工业化化学路线，可利用现有生产设施。

该方法的局限性在于起始步骤依赖还原催化分馏（RCF）产生低摩尔质量产物，目前存在技术经济性约束。未来有望应用于缩合型木质素（如硫酸盐木质素），并通过代谢工程拓展到更复杂的自氧化产物（如苯三甲酸）和多种生物可及产物。

原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10580-x

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