木质素是芳香碳最丰富的可再生资源，是可持续生物精炼的基石[1, 2]。尽管具有这种潜力，但木质素仍大多未被充分利用，主要被用于低价值能源的回收[3]。根本障碍不在于缺乏有效的催化途径，而在于木质素本身的结构异质性，这严重限制了其高效转化[4, 5]。近年来，生物转化引起了越来越多的关注，因为它具有高选择性和与可再生原料的兼容性。例如Pseudomonas putida和Rhodococcus opacus等微生物，是能够分解和吸收木质素的天然进化平台，可以用于合成芳香精细化学品、聚羟基烷酸、脂质和二元羧酸[6, 7, 8]。
木质素的生物合成源自三种单木质酚——p-香豆酚、松脂醇和芥子酚，它们通过多种连接方式形成p-羟基苯基（H）、香豆酰（G）和丁香酚（S）单元。其中，β-O-4-芳基醚键占主导地位，并且会随着生物质类型和分离方法的不同而变化[9]。这种结构多样性导致了底物的显著异质性，即木质素衍生芳香物质的组成和结构变化[10]。为了解决这一问题，微生物转化通常遵循一个多步骤框架，包括分解、生物导向路径和芳香环断裂途径[8, 11]。生物导向路径是一种协调的微生物过程，将结构多样的木质素衍生芳香物质转化为少数几种核心中间体（如原儿茶酸），这些中间体是下游转化的关键代谢节点[12]。通过将异质底物汇聚到共同的途径中，该策略简化了化学复杂性，并促进了后续的环断裂反应和碳通量向高附加值产品的重新分配。尽管这一概念已经成熟，但其实际应用仍面临挑战。
在细胞水平上，微生物木质素转化面临复杂的代谢挑战。木质素衍生芳香物质的多样性导致途径利用不均、通量不平衡以及抑制性中间体的积累。关键反应如O-去甲基化、羟基化和脱羧化经常造成动力学瓶颈[13, 14, 15]。此外，天然的芳香物质分解途径（包括β-酮二酸途径）往往与木质素分解产生的单体分布不匹配，需要大量的途径调控[16, 17]。系统级分析进一步揭示了芳香碳代谢、细胞能量平衡和氧化还原辅因子供应之间的紧密耦合，指出了静态途径工程策略的局限性[18]。
这些挑战凸显了系统级代谢调控作为木质素生物转化核心设计原则的必要性。调控策略的目的不是简单地引入新酶，而是协调途径活性、平衡代谢通量，并使细胞响应动态底物输入。模块化途径重建和空间或功能分区提供了对通量分布和中间代谢物积累的定量控制。除了静态控制之外，基于转录因子（TF）的调控和基于动态生物传感器的调控能够实现底物响应性和时间依赖性的木质素转化途径调节，将异质木质素流转化为更可预测的代谢输入[19, 20]。
本文总结了木质素转化系统级代谢调控的最新进展，重点介绍了工程化细胞工厂、基于转录因子的调控和基于动态生物传感器的调控方法，包括启动子工程、分区、模块化途径设计以及全局和底物响应性转录因子，以提高协调性和通量分布。总体而言，系统级调控方法有望提升木质素生物转化平台的效率、稳定性和可扩展性（表1）。
