木質(zhì)纖維素降解酶的分子改造研究取得新進(jìn)展

木質(zhì)纖維素是地球上最為豐富的可再生資源，能將木質(zhì)纖維素降解為葡萄糖的木質(zhì)纖維素酶是一個(gè)復(fù)合酶系，其中的組分在養(yǎng)殖、食品、釀酒、紡織、洗滌、能源和造紙等工業(yè)中也具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。利用基因工程手段對(duì)纖維素酶分子進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)定向進(jìn)化，開(kāi)發(fā)熱穩(wěn)定和活力提高的纖維素酶，對(duì)水解木質(zhì)纖維素底物具有潛在的巨大優(yōu)勢(shì)。耐熱性酶較高的比活可以降低所需的酶量，其高穩(wěn)定性也使水解時(shí)間得以延長(zhǎng)從而提高酶的性能。此外，增強(qiáng)的熱穩(wěn)定性也使得酶可以在高溫生產(chǎn)體系中應(yīng)用，同時(shí)高溫環(huán)境還可以降低其它微生物污染的風(fēng)險(xiǎn)。這一切都會(huì)大大增加整體的經(jīng)濟(jì)效益，在工業(yè)化生產(chǎn)中具有實(shí)際意義。
中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所吳中柳研究員課題組通過(guò)基因家族改組、隨機(jī)突變和理性設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用等手段，研究了酶蛋白結(jié)構(gòu)功能關(guān)系，獲得了多種耐熱性或活力大幅度提高的人工酶。采用易錯(cuò)PCR、基因家族改組以及半理性設(shè)計(jì)等方法，研究人員把嗜熱脂肪土芽孢桿菌內(nèi)切木聚糖酶XT6在75°C熱失活半衰期提高了52倍，并將其最適反應(yīng)溫度從77°C提高到了87°C，同時(shí)催化效率(kcat/Km)也提高了90%；根據(jù)已知的晶體結(jié)構(gòu)，采用計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)軟件PoPMuSiC對(duì)其進(jìn)行理性設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)，通過(guò)定點(diǎn)突變的方法把黑曲霉阿魏酸酯酶FaeA在50°C熱失活半衰期從8分鐘提高到77分鐘，催化轉(zhuǎn)化數(shù)提高10倍，單位體積培養(yǎng)液中的酶活力提高30倍以上；利用家族改組、定點(diǎn)突變和飽和突變的方法，把嗜熱放線菌b-葡萄糖苷酶BglC在61°C熱失活半衰期提高了144倍；采用飽和突變和理性設(shè)計(jì)的方法，把熱纖梭菌內(nèi)切葡聚糖酶CelA在86°C熱失活半衰期提高了10倍且最適反應(yīng)溫度也提高了10°C。
這些研究工作有利于降低木質(zhì)纖維素降解的生產(chǎn)成本，進(jìn)一步推動(dòng)耐熱型木質(zhì)纖維素酶的工業(yè)化應(yīng)用。該系列成果發(fā)表在BioresourceTechnology(2010)上。