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青島能源所提出結(jié)晶纖維素降解新模式

發(fā)布時間: 2018-04-18
撰稿: 青島生物能源與過程研究所
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　　纖維素的降解主要依靠細菌和真菌等微生物分泌纖維素酶完成。一般來說，纖維素酶按照其催化功能可分為3大類：外切- ?1,4-葡聚糖酶（exo- ?1,4-glucanases/cellobiohydrolases），內(nèi)切- ?1,4-葡聚糖酶（endo- ?1,4-glucanases）和 -葡萄糖苷酶（ ?1,4-glucosidases）。研究表明，結(jié)晶纖維素的徹底降解至少需要這3組纖維素酶的協(xié)同作用：外切酶水解纖維素的結(jié)晶區(qū)，從纖維素鏈的還原端（reducing end）或非還原端（non-reducing end）開始持續(xù)水解，釋放纖維二糖，是水解天然纖維素底物的首要條件；內(nèi)切酶主要作用于纖維素的非結(jié)晶區(qū)，隨機水解纖維素鏈中的糖苷鍵，把纖維素的長鏈切斷，變成大量不同聚合度的纖維素短鏈，使得纖維素分子的聚合度降低，可供外切酶作用的纖維素鏈末端數(shù)增加； -葡萄糖苷酶則主要水解纖維二糖和可溶性纖維寡糖，最終將纖維素轉(zhuǎn)化為可利用的葡萄糖。在這個過程中，主要的限速步驟是外切酶對結(jié)晶纖維素的水解，目前發(fā)現(xiàn)的外切酶存在數(shù)量少，效率不高的問題。

　　近年來有科學家發(fā)現(xiàn)有一種內(nèi)切酶也可以作用于結(jié)晶纖維素，像外切酶一樣從結(jié)晶表面剝離出一條纖維素單鏈以后在上面持續(xù)滑動，命名為持續(xù)性內(nèi)切纖維素酶。與傳統(tǒng)外切酶的“threading（穿針）”不同，持續(xù)性內(nèi)切纖維素酶的催化結(jié)構(gòu)域是開放的裂隙，每走一步釋放一個纖維四糖。因此，雖然水解效率提高了，但是與底物的親和力不夠強，容易脫落，導致整體效率仍然無法提高。青島能源所研究員李福利帶領的分子微生物工程研究組在一株嗜熱纖維素降解菌株Clostridium cellulosi CS-4-4中發(fā)現(xiàn)了一個多模塊的持續(xù)性內(nèi)切纖維素酶CcCel9A（Appl Environ Microbiol, 2014, 80(8): 2592-2601），該酶每滑動一步釋放一個纖維四糖，而且含有多達5個底物結(jié)合模塊（CBM），保證了酶和底物的有效吸附，整體水解效率比之前報道提高一倍。研究組與山東大學微生物技術(shù)研究院王祿山教授及蛋白質(zhì)設計研究組姚禮山研究員合作，CcCel9A的各個模塊及活性中心關鍵位點的功能得到解析。結(jié)果表明，CcCel9A中C末端的CBM3b模塊主要負責破壞結(jié)晶結(jié)構(gòu)，中間的3個CBMX2模塊協(xié)助吸附底物，而靠近催化結(jié)構(gòu)域的CBM3c模塊的功能是為活性中心提供纖維素單鏈，其表面非常平坦，相當于把活性中心的底物結(jié)合位點延長到13個亞位點。當單鏈進入活性中心以后，底物結(jié)合亞位點+1/+2利用氫鍵作用力使底物與CBM3c模塊分離，然后產(chǎn)物釋放亞位點-4~-1將單鏈拉動到-4位置，催化位點在+1與-1之間將單鏈切斷，纖維四糖釋放（圖1）?？傊?，CcCel9A通過多個CBM模塊，13個底物結(jié)合亞位點以及大產(chǎn)物（纖維四糖）的釋放來增強底物和酶的相互作用，大大彌補了開放催化結(jié)構(gòu)域的不足。基于以上研究結(jié)果，我們提出了多模塊持續(xù)性內(nèi)切纖維素酶降解結(jié)晶底物的新模式—“wirewalking （走鋼絲）”模式，相關論文已于近日被Biomacromolecules雜志接收，張坤迪助理研究員為第一作者，李福利研究員與王祿山教授為共同通訊作者。

　　該研究獲得了科技部973基礎研究計劃、國家自然科學基金以及山東省自然科學杰出青年基金的支持。（文/圖 張坤迪 李福利）

圖1 持續(xù)性內(nèi)切纖維素酶CcCel9A的“走鋼絲”工作模式

Figure 1. Working model of the “wirewalking” mode of CcCel9A action.

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.8b00340

Kun-Di Zhang, Wen Li, Yefei Wang, Yan-Lin Zheng, Fang-Cheng Tan, Xiao-Qing Ma, Lishan Yao, Edward A. Bayer, Lushan Wang*, and Fuli Li* (2018), Processive Degradation of Crystalline Cellulose by a Multimodular Endoglucanase via a Wirewalking Mode, Biomacromolecules, 10.1021/acs.biomac.8b00340.

 

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