Science揭示“快食”纖維素酶
日期：2014-01-09 09:35:31
來自美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）的研究人員證實，在最初于1990年俄羅斯的勘察加半島間歇泉谷（Valley of Geysers）發現的一種微生物中有一種酶，其消化纖維素的速度比當前市場上主要的纖維素酶要差不多快兩倍。
如果這種酶能夠在更大型的測試中繼續表現良好，它有可能幫助降低從乙醇到可應用于現有基礎設施的其他生物燃料等木質纖維素燃料的制造成本。研究論文“Revealing Natures Cellulase Diversity: The Digestion Mechanism of Caldicellulosiruptor bescii CelA”發表在近期的《科學》（Science）雜志上。
這種首先發現于熱淡水池中的細菌：Caldicellulosiruptor bescii分泌了一種叫做CelA的纖維素酶，CelA由兩個催化結構域，中間的連接肽和一些纖維素結合模塊構成。
美國能源部國家可再生能源實驗室的研究人員對CelA進行了檢測，發現它能夠比領先的商業合劑中最豐富的纖維素酶Cel7A消化微晶粉末纖維素生成更多的糖類——這是測試纖維素降解的一個工業標準。他們發現CelA不僅能在較常見的材料表層去除消化纖維素，還能夠在材料中造成空腔，使得更大程度地與傳統的纖維素酶協同作用，獲得更高的糖釋放。
分泌這種CelA的細菌在75-90攝氏溫度（167-194華氏度）旺盛生長。
論文的作者之一、美國能源部國家可再生能源實驗室科學家Yannick Bomble說：“在如此高的溫度下發揮作用的微生物和纖維素酶具有幾個生物技術優勢。”
Bomble說：“CelA是我們有史以來研究的最有效率的單個纖維素酶。它是一種非常復雜的酶，由兩個催化結構域和三個結合模體構成。它具有兩個互補的催化結構域可協同發揮作用，這很可能是導致它成為如此有效的纖維素降解物的原因。”
大多數的商業操作都是采用將15-20種不同的酶組合到一起制成的酶雞尾酒，來將植物材料轉化為對生物燃料工業有用的糖類。在大多數這樣的雞尾酒中，其中一種酶Cel7A承擔了最大量的工作。
當研究人員將CelA與Cel7A進行比較時，他們發現在最佳溫度50攝氏度（122華氏度）時，Cel7A轉化微晶粉末纖維素的性能只有CelA的50%。
CelA發現于15年前，直到這項研究工作之前，人們對于這種復雜蛋白的認知也僅限于它的總體結構以及它能夠消化纖維素。
喬治亞州的科學家們最初是在有機物上培養這種生物體，利用它來生成細胞外酶。美國能源部國家可再生能源實驗室隨后利用性能分析、先進成像、X射線晶體學和巨型計算機建模等技術，純化并確定了這些胞外酶的特征。
美國能源部國家可再生能源實驗室的科學家們發現，CelA不僅能夠非常有效地作用于纖維素，還能夠消化木糖。這意味著可以降低商業雞尾酒中消除木糖的酶的水平，從而降低成本。
如果一種酶能夠更有效地生成糖類，這就意味著可以降低將有機物轉為燃料過程中主要的成本因素——酶雞尾酒的成本。
這些研究結果將對于工業產生重要的影響，對于科學家們也具有吸引力。論文的主要作者、美國能源部國家可再生能源實驗室科學家說：“我們正在了解更多關于這些纖維素酶的進化、它們如何在極端環境下旺盛生長等方面的信息。”
該研究的資助機構生物能源科學中心主任Paul Gilna說：“這一研究發現有可能重塑商業纖維素酶雞尾酒設計藍圖。”
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