纖維素降解研究

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1、纖維素降解研究眾所周知，纖維素作為自然界中來源最廣泛的植物產(chǎn)品，具有環(huán)境友好，再生性強(qiáng)這一巨大的優(yōu)點(diǎn)，每年通過光合作用產(chǎn)生的植物纖維的生物量可以達(dá)到10億t，其中木質(zhì)纖維素占到其中的90%。但其有效的利用也成為了人類攻克了很久卻有久攻不下的難題——在今天，我們依然可以看到大量的秸稈在田間直接被焚燒，成堆的生物質(zhì)廢物堆棄在路邊……在這里，我很有興趣把我這次演講的重點(diǎn)放在這個(gè)前景誘人但現(xiàn)實(shí)卻比較沮喪的主題上（雖然這和我本人導(dǎo)師做的課題聯(lián)系不是很大）。本次的演講主要有三部分構(gòu)成：1.纖維素來源與性質(zhì)；2.纖維素降解機(jī)理

2、；3.纖維素利用近期研究。1.纖維素來源與性質(zhì)：纖維素是生物圈里最豐富的有機(jī)物質(zhì)。占植物界碳素的50%以上。纖維素是植物（包括某些真菌和細(xì)菌）的結(jié)構(gòu)多糖，是它們的細(xì)胞壁的主要成分。纖維素組成葉子干重的10%，木材的>50%，麻纖維的70%-80%，棉纖維的90%-98%。但纖維素不是植物界所獨(dú)有的，海洋無脊椎動(dòng)物被囊類在其外套膜中含有相當(dāng)多的纖維素，甚至有人報(bào)道在人的結(jié)締組織中也有少量纖維素的存在。纖維素是線性葡聚糖，殘基間通過β-（1，4）糖苷鍵連接的纖維二糖可以看做是它的二糖單位。纖維素鏈中每個(gè)殘基相對(duì)于前一

3、個(gè)殘基翻轉(zhuǎn)180o，使鏈采取完全伸展的構(gòu)象。相鄰、平行的伸展鏈在殘基環(huán)面的水平向通過鏈內(nèi)和鏈間的氫鍵網(wǎng)形成片層結(jié)構(gòu)，片層之間即環(huán)面的垂直向靠其余氫鍵和環(huán)的疏水內(nèi)核間的范德華力維系。這樣若干條鏈聚集成緊密的有周期性晶格的分子束，成為微晶。多個(gè)這樣的膠束平行地共處于在電鏡下呈線狀的微纖維中（如下圖所示）。2.纖維素降解機(jī)理纖維素之所以難降解是由其空間結(jié)構(gòu)決定的。木質(zhì)纖維素具有特殊的晶格結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其與酶的接觸和作用很困難。同時(shí)，關(guān)于產(chǎn)纖維素酶菌株的篩選研究很多，但真正高產(chǎn)量的菌株并不多見，少有低溫分解菌株，纖維素酶的生

4、產(chǎn)依然是低產(chǎn)量高成本的狀態(tài)，這是制約纖維素分解工藝的瓶頸。纖維素天然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其生物降解過程則是一個(gè)復(fù)雜的酶學(xué)過程，需要多種酶的協(xié)同作用來完成的，從而需要多重微生物的共同作用。自然界中，木質(zhì)纖維素能夠被千百種微生物所降解。微生物降解木質(zhì)纖維素時(shí)主要有兩種進(jìn)攻方式，一是由外部到內(nèi)部;二是由內(nèi)部向外部。細(xì)菌在降解木質(zhì)纖維素時(shí)首先吸附在纖維素表面，不斷地由纖維的表面向內(nèi)部生長(zhǎng)，細(xì)菌吸附的纖維素部位被細(xì)菌所破壞，纖維易于膨脹，較為容易分解。真菌在降解木質(zhì)纖維素的過程中，首先吸附在木質(zhì)纖維素的端部，菌絲由端部向內(nèi)延伸，分泌

5、木質(zhì)纖維素降解酶，然后由內(nèi)向外降解木質(zhì)纖維素。微生物降解木質(zhì)纖維素時(shí)無論采用何種方式來破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，在木質(zhì)纖維素生物降解過程中起主要作用的還是微生物所產(chǎn)生的木質(zhì)纖維素降解酶。廣泛接受的是纖維素酶是所有參與降解纖維素的各種酶的總稱，主要由外切酶(CBH)、內(nèi)切酶(EG)和β-糖苷酶(BG)3種酶協(xié)同/競(jìng)爭(zhēng)降解纖維素。由于纖維素的多形性，纖維素的水解需要多種酶協(xié)同作用才能完成，在纖維素降解過程中，纖維素酶間的協(xié)同效應(yīng)已經(jīng)得到了廣泛的研究。水解分2個(gè)部分，初級(jí)水解和次級(jí)水解。初級(jí)水解發(fā)生在固體底物的表面，通過內(nèi)切

6、酶和外切酶的作用釋放出聚合度在6以下的可溶性糖到液相中，其中，內(nèi)切酶可作用于纖維素分子內(nèi)的無定形區(qū)，隨機(jī)水解β-1，4糖苷鍵，將長(zhǎng)鏈纖維素分子截短，產(chǎn)生大量的小分子纖維素，即纖維素末端。內(nèi)切型纖維素酶可為外切酶提供大量的反應(yīng)末端，同時(shí)它也能水解小分子的纖維素寡糖;外切酶作用于纖維素分子的末端，依次從纖維素分子中切下纖維二糖，它可以作用于纖維素分子內(nèi)的結(jié)晶區(qū)、無定形區(qū)和羧甲基纖維素;纖維二糖酶作用是將纖維二糖水解為葡萄糖。酶的作用形式如下圖所示：3.纖維素利用近期研究利用生物分子技術(shù)進(jìn)行新的纖維素酶的改造是當(dāng)今纖維

7、素酶解領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)，下面我將就這個(gè)方向和大家分享一下最新的研究成果。實(shí)驗(yàn)室采用的是試驗(yàn)培養(yǎng)菌體產(chǎn)生的酶，其主要的實(shí)驗(yàn)步驟為：目的DNA合成并與載體相連酶蛋白的表達(dá)與純化凝膠過濾層析確定分子量ELISA確定復(fù)合物的結(jié)合與否Coh-SP1與t-6B結(jié)合，Exo-complex形成各種復(fù)合物降解纖維素活性的測(cè)定。如下圖所示，Coh-SP1為兩種蛋白的組合支架，Cel5A為一種纖維素內(nèi)切酶，t-6B為一種纖維素外切酶。B所示為理想情況下支架復(fù)合蛋白的組裝，我們可以看到外切酶通過支架錨定在支架蛋白上。首先探討支

8、架長(zhǎng)度對(duì)承載纖維素酶能力的影響，如下圖所示：試驗(yàn)通過凝膠過濾層析的方法來確定復(fù)合蛋白以及各個(gè)蛋白單體的分子質(zhì)量，并通過計(jì)算得出：經(jīng)過優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件，每個(gè)基座上最多可以錨定12個(gè)外切蛋白酶分子，并且隨著支架長(zhǎng)度的增加，基座上可以錨定的蛋白的數(shù)目也在增加。實(shí)驗(yàn)人員分析是因?yàn)橹Ъ艿脑鲩L(zhǎng)使得錨定的外切酶之間的空間位阻減少，所以可以容納更多的酶分子。再者，我們要確定復(fù)合物降解纖維素