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Science揭示“快食”纤维素酶

日期:2014-11-03 00:00:00

来自美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员证实,在最初于1990年俄罗斯的勘察加半岛间歇泉谷(Valley of Geysers)发现的一种微生物中有一种酶,其消化纤维素的速度比当前市场上主要的纤维素酶要差不多快两倍。

 

如果这种酶能够在更大型的测试中继续表现良好,它有可能帮助降低从乙醇到可应用于现有基础设施的其他生物燃料等木质纤维素燃料的制造成本。这种首先发现于热淡水池中的细菌:Caldicellulosiruptor bescii分泌了一种叫做CelA的纤维素酶,CelA由两个催化结构域,中间的连接肽和一些纤维素结合模块构成。

 

美国能源部国家可再生能源实验室的研究人员对CelA进行了检测,发现它能够比领先的商业合剂中最丰富的纤维素酶Cel7A消化微晶粉末纤维素生成更多的糖类——这是测试纤维素降解的一个工业标准。他们发现CelA不仅能在较常见的材料表层去除消化纤维素,还能够在材料中造成空腔,使得更大程度地与传统的纤维素酶协同作用,获得更高的糖释放。

分泌这种CelA的细菌在75-90摄氏温度(167-194华氏度)旺盛生长。

 

美国能源部国家可再生能源实验室科学家Yannick Bomble说:“在如此高的温度下发挥作用的微生物和纤维素酶具有几个生物技术优势。”Bomble说:“CelA是大家有史以来研究的最有效率的单个纤维素酶。它是一种非常复杂的酶,由两个催化结构域和三个结合模体构成。它具有两个互补的催化结构域可协同发挥作用,这很可能是导致它成为如此有效的纤维素降解物的原因。”大多数的商业操作都是采用将15-20种不同的酶组合到一起制成的酶鸡尾酒,来将植物材料转化为对生物燃料工业有用的糖类。在大多数这样的鸡尾酒中,其中一种酶Cel7A承担了最大量的工作。

 

当研究人员将CelACel7A进行比较时,他们发现在最佳温度50摄氏度(122华氏度)时,Cel7A转化微晶粉末纤维素的性能只有CelA50%CelA发现于15年前,直到这项研究工作之前,人们对于这种复杂蛋白的认知也仅限于它的总体结构以及它能够消化纤维素。

乔治亚州的科学家们最初是在有机物上培养这种生物体,利用它来生成细胞外酶。美国能源部国家可再生能源实验室随后利用性能分析、先进成像、X射线晶体学和巨型计算机建模等技术,纯化并确定了这些胞外酶的特征。

 

美国能源部国家可再生能源实验室的科学家们发现,CelA不仅能够非常有效地作用于纤维素,还能够消化木糖。这意味着可以降低商业鸡尾酒中消除木糖的酶的水平,从而降低成本。

如果一种酶能够更有效地生成糖类,这就意味着可以降低将有机物转为燃料过程中主要的成本因素——酶鸡尾酒的成本。这些研究结果将对于工业产生重要的影响,对于科学家们也具有吸引力。论文的主要编辑、美国能源部国家可再生能源实验室科学家说:“大家正在了解更多关于这些纤维素酶的进化、它们如何在极端环境下旺盛生长等方面的信息。”

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