基于代谢重组模型与产量模型构建木质素单体及其衍生物的代谢通路

　　针对木质素复杂结构难以降解转化的难题，研究人员通过整合KEGG数据库生化反应网络，开发了代谢重组模型（metabolic recombination models）与产量模型（yield models），系统计算了木质素单体衍生物降解为乙酰辅酶A（acetyl CoA）的多条通路，并评估其热力学可行性与理论产量。该研究为木质素高值化利用及难降解污染物生物处理提供了新策略。

　　

木质素作为自然界储量第二的生物聚合物，其复杂的芳香结构和高度分支的基质导致传统方法难以高效利用。尽管微生物已进化出木质素降解酶（ligninolytic enzymes），但酚类中间产物的代谢路径仍不明确，制约了工业化应用。如何系统解析木质素降解通路并设计高效转化路径，成为合成生物学与代谢工程领域的关键挑战。

为解决这一问题，中国研究人员通过整合KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）数据库的生化反应网络，构建了代谢重组模型（metabolic recombination models）。该模型将化合物编码为整数变量，通过图论算法计算任意两种代谢物间的转化路径。结合产量模型（yield models）和自由能数据库，团队评估了不同路径的热力学可行性与理论产量，重点分析了H-、G-和S-木质素单体降解为乙酰辅酶A（acetyl CoA）的代谢通路。研究以Rhodococcus（红球菌属）为参考菌株，因其高效的芳香族化合物代谢能力，为木质素高值化提供了理论框架。

关键技术方法包括：1）基于KEGG数据库构建全局代谢网络；2）开发代谢重组算法，通过整数编码和反应集合实现路径搜索；3）结合自由能计算与产量模型优化路径选择；4）以Rhodococcus为底盘菌验证通路可行性。

算法设计
代谢重组模型的核心是将化合物映射为整数节点，反应作为有向边，通过主函数（main function）、检查函数（check function）和转化函数（transform function）实现多步路径计算。该算法支持从木质素单体到乙酰辅酶A的降解路径预测。

降解通路计算结果
研究将木质素单体分为H-、G-和S-三类，发现G-木质素主要通过原儿茶酸（protocatechuic acid）和儿茶酚（catechol）代谢通路转化，而S-木质素则以没食子酸（gallic acid）开环路径为主。模型预测的路径与已知微生物代谢机制高度吻合，证实了算法的可靠性。

结论与意义
该研究首次系统性整合代谢重组与产量模型，为木质素降解提供了可量化评估的计算工具。结果表明，不同木质素单体的降解路径存在显著差异，需针对性地设计菌株改造策略。例如，H-和G-单体可通过短路径高效转化，而S-单体需多步反应且热力学约束更严格。这一成果不仅推动了木质素生物炼制（biorefinery）的发展，还为其他难降解污染物（如多环芳烃）的代谢工程提供了范式。

论文发表于《Bioresource Technology》，通讯作者为Fuying Ma和Shangxian Xie。研究得到中国国家重点研发计划（2023YFC3403501）支持，标志着我国在生物质资源计算生物学领域的领先地位。未来，该模型可进一步结合基因组尺度代谢模型（GSMM）指导菌株定向进化，加速木质素基化学品工业化进程。