热纤梭菌高效降解木质纤维素过程的组学研究进展

热纤梭菌(Clostridium thermocellum)是高效降解木质纤维素的重要微生物,因其能分泌纤维小体这一超分子酶系复合物而备受关注。它分泌的酶系组分多样,胞外酶组分的表达、分泌及其在纤维小体支架蛋白上的组装是一受到胞外碳源等因素显著影响的动态过程。热纤梭菌究竟如何感知纤维素等不溶性底物的存在并动态调控相应酶组分的分泌,完成具有高效降解能力的超分子酶系复合物的组装成为近几年来相关研究的热点。本文主要从基因组学、转录组学、蛋白质组学及菌体对胞外碳源的感应机制等方面来综述相关研究进展,并对热纤梭菌降解天然复杂生物质的动态过程及其相应机制进行了剖析,并展望其应用前景。     

降解纤维素的“超分子机器”研究进展

综述了目前关于纤维小体组装模式、纤维小体结构多样性及人工设计纤维小体等方面的研究进展.纤维小体是某些厌氧菌产生的由多个亚基共同组装而成的大分子机器,是致力于组织、协调多种酶组分协同高效催化降解木质纤维素的胞外蛋白质复合体.纤维小体是厌氧微生物水解纤维素的主体,具有非常高效的打破结晶纤维素的结晶结构和降解纤维素链的作用.纤维小体对木质纤维素降解的高效性来自于其自发组装而成的复杂的高级结构,其结构的复杂性因不同的厌氧微生物而有所不同.     

纤维小体在燃料乙醇中的应用

纤维小体在木质纤维素的降解中起着重要作用。它不仅含有降解纤维素所需的各种纤维素酶系,而且组装成具有高效催化活性的多酶复合体形式。介绍了纤维小体基本结构与功能,重点概述了其在生物燃料乙醇中的应用并对纤维小体的研究提出了展望。     

人工纤维小体骨架蛋白的分子设计与自组装

纤维小体是厌氧微生物分泌的能够高效降解木质纤维素的一种多酶复合体。其骨架蛋白质的大量重组合成是人工纤维小体构建的关键。为了构建全长的结构复杂的能招募大量酶亚基的骨架蛋白质,本研究对解纤维梭菌Ruminiclostridum cellulolyticum骨架蛋白CipC进行分子模块化设计,并分别与肽-蛋白质共价偶联系统SpyTag/SpyCatcher和SnoopTag/SnoopCatcher融合表达。然后分别通过非固定化和固定化组装策略对人工纤维小体骨架蛋白质进行了初步组装。结果显示,SpyTag和SpyCatcher、SnoopTag和SnoopCatcher之间自发形成稳定的共价异肽键,而且SpyTag和SnoopCatcher,SnoopTag和SpyCacther之间无交叉反应。最终成功组装出含有不同数量黏附域的骨架蛋白质,实现骨架蛋白链的延伸。本研究为构建结构更复杂、活性更高的人工纤维小体提供了新的设计思路并奠定了其技术基础。     

酿酒酵母人造纤维小体的研究进展简

纤维素乙醇的统合生物加工过程（consolidated bioprocessing,CBP）是将（半）纤维素酶生产、纤维素水解和乙醇发酵过程组合,通过一种微生物完成的生物加工过程。 CBP有利于降低生物转化过程的成本,受到研究者的普遍关注。酿酒酵母（ Saccharomyces cerevisiae）作为传统的乙醇生产菌株,是极具潜力的CBP底盘细胞。纤维小体是某些厌氧微生物细胞表面由纤维素酶系与支架蛋白组成的大分子复合物,它能高效降解木质纤维,在酿酒酵母表面展示纤维小体已成为构建CBP细胞的研究热点。笔者综述了人造纤维小体在酿酒酵母细胞表面展示组装的研究进展,重点阐述了纤维小体各元件的设计和改造,并针对酿酒酵母分泌途径的改造,提出提高人造纤维小体分泌组装的可能性策略。     

酿酒酵母人造纤维小体的研究进展

纤维素乙醇的统合生物加工过程(consolidated bioprocessing,CBP)是将(半)纤维素酶生产、纤维素水解和乙醇发酵过程组合,通过一种微生物完成的生物加工过程。CBP有利于降低生物转化过程的成本,受到研究者的普遍关注。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作为传统的乙醇生产菌株,是极具潜力的CBP底盘细胞。纤维小体是某些厌氧微生物细胞表面由纤维素酶系与支架蛋白组成的大分子复合物,它能高效降解木质纤维,在酿酒酵母表面展示纤维小体已成为构建CBP细胞的研究热点。笔者综述了人造纤维小体在酿酒酵母细胞表面展示组装的研究进展,重点阐述了纤维小体各元件的设计和改造,并针对酿酒酵母分泌途径的改造,提出提高人造纤维小体分泌组装的可能性策略。     

典型产纤维小体梭菌的遗传改造及其在纤维素乙醇中的应用研究进展简

以解纤维梭菌（ Clostridium cellulolyticum）和热纤梭菌（ Clostridium thermocellum）为代表的产纤维小体梭菌可以直接完成从木质纤维素原料到乙醇的生物转化,是用于通过整合生物加工技术生产纤维素乙醇的优良候选菌株。然而,这些产纤维小体梭菌的纤维素降解效率及乙醇产量尚不能满足工业化生产的要求,其遗传改造技术的不成熟严重制约了通过定向代谢工程改造提高生产性能的进程。针对这些典型的产纤维小体菌株,各国科学家近年来在基于二类内含子的嗜中温及嗜高温遗传改造平台建立方面取得了较大突破,并通过靶向代谢工程改造,显著提高纤维素乙醇的产量。笔者对这些前期研究工作以及国内外相关研究成果进行系统的总结,并对构建的遗传改造工具的应用前景进行展望。     

典型产纤维小体梭菌的遗传改造及其在纤维素乙醇中的应用研究进展

以解纤维梭菌(Clostridium cellulolyticum)和热纤梭菌(Clostridium thermocellum)为代表的产纤维小体梭菌可以直接完成从木质纤维素原料到乙醇的生物转化,是用于通过整合生物加工技术生产纤维素乙醇的优良候选菌株。然而,这些产纤维小体梭菌的纤维素降解效率及乙醇产量尚不能满足工业化生产的要求,其遗传改造技术的不成熟严重制约了通过定向代谢工程改造提高生产性能的进程。针对这些典型的产纤维小体菌株,各国科学家近年来在基于二类内含子的嗜中温及嗜高温遗传改造平台建立方面取得了较大突破,并通过靶向代谢工程改造,显著提高纤维素乙醇的产量。笔者对这些前期研究工作以及国内外相关研究成果进行系统的总结,并对构建的遗传改造工具的应用前景进行展望。     

梭热杆菌纤维小体研究进展

梭热杆菌(Clostridium thermocellum)是一种嗜热厌氧细菌,通过分泌大量纤维素酶高效降解纤维素.根据作用纤维素的不同部位,梭热杆菌分泌的纤维素酶分为内切纤维素酶和外切纤维素酶.纤维小体是由支架蛋白、锚定元件、黏合蛋白、纤维素结合域和催化单位组成的复合体,其独特的结构,使得它可以比真菌纤维素酶更紧密地结合到纤维素表面,这个复合结构结合着多种催化单位,而此特殊的结构是梭热杆菌高效降解纤维素的必要条件.近年来,为更深入透彻地了解纤维小体的结构与功能进行了大量的研究工作,现对相关研究进展进行综述,并给出了未来可能的发展方向.     

青霉生产木质纤维素降解酶系的研究进展

木质纤维素降解酶系的高效生产是实现植物生物质大规模生物炼制的重要支撑。就地生产木质纤维素降解酶,有助于降低其使用成本,提高技术经济效益。青霉是自然界常见的木质纤维素降解真菌,可以合成分泌种类多样、组分齐全的木质纤维素降解酶系,已被应用于纤维素酶制剂的工业生产。文中从就地生产降解酶,为木质纤维素生物炼制构建“糖平台”的角度,综述了青霉木质纤维素降解酶系的性质、菌株遗传改造及发酵工艺的研究进展。     

细菌几丁质酶结构、功能及分子设计的研究进展

几丁质是仅次于纤维素的第二大天然多糖，由N-乙酰-D-氨基葡萄糖聚合而成，具有重要的应用价值。自然界中几丁质可被细菌高效降解。细菌可分泌多种几丁质降解酶类，主要分布在GH18家族和GH19家族中。细菌中几丁质降解酶基因存在明显的基因扩增及多结构域组合现象，不同家族、不同作用模式的几丁质酶系协同作用打破复杂的抗降解屏障，完成结晶几丁质的高效降解。因此，深入分析细菌几丁质酶结构与功能，对几丁质高效降解与高值转化应用具有重要意义。本文介绍了细菌几丁质酶的分类、结构特点与催化作用机制；总结了不同细菌胞外几丁质降解酶系的协同降解模式；针对几丁质酶家族分子改造的研究进展，展望了以结构生物信息学及大数据深度学习为基础的蛋白质工程设计策略在今后改造中的作用，为几丁质酶的设计与理性改造提供新的视角与思路。     

生物质多糖的高效降解与降解酶（系）的精确定制

自然界中多糖类生物质资源十分丰富,然而其复杂的抗降解屏障限制了生物转化的进程.近年来,随着生物质多糖结构的快速解析以及大量多糖降解酶的鉴定研究,针对不同底物结构或产物需求,仿制高效微生物多糖代谢途径,精确定制多糖降解酶系,促进生物质高效转化已成为可能.本文分析中性多糖(纤维素和木聚糖)、碱性多糖(几丁质和壳聚糖)以及酸性多糖(褐藻胶)的精细结构组成与基团性质,总结3类多糖主要降解酶的活性架构特征及其底物精确结合模式.文章还阐述蛋白质工程设计与定制策略,针对酶分子不同功能区的分析,可为酶分子的功能快速设计与改造提供靶点,以获得适宜于工业应用的高效酶分子,此外,根据微生物胞外降解酶系的降解次序与协同关系,可基于应用需求精确定制复杂多糖降解酶系,实现生物质的高效与高值降解转化.     

降解木质纤维素放线菌的功能组学分析及工业应用前景

放线菌是一种高GC含量的革兰氏阳性细菌,在陆生、高温的木质纤维素降解生境中占据十分重要的地位.降解木质纤维素菌株的功能基因组分析发现降解纤维素的酶种类和数目相对较多,而降解半纤维素以及果胶成分的酶相对真菌较少.其中,降解纤维素的酶类主要以GH6家族外切酶为主,部分含有GH9和GH48家族的纤维素酶,基因组中还含有AA10家族的多糖裂解氧化酶,因此放线菌可通过持续性水解与氧化双重机制高效降解结晶纤维素.放线菌可通过双精氨酸转运系统快速将已正确折叠的降解酶类分泌至胞外,这些酶分子常具有多个功能结构域,具有耐高温、耐碱性以及高活力等特征.放线菌在木质纤维素降解及次级代谢产物等方面的特点与优势使得其具有巨大的工业应用前景.     

粗糙脉孢菌木质纤维素降解利用研究进展

粗糙脉孢菌作为木质纤维素降解真菌,不仅具有完整的木质纤维素降解酶系,而且还拥有全基因组基因敲除突变体库,是研究丝状真菌纤维素酶表达分泌和木质纤维素降解机制的优秀体系。近年来,国内外利用粗糙脉孢菌系统,在木质纤维素降解机制方面取得了显著进展,包括纤维素酶信号传导、调控以及生物质降解后糖的转运利用等。笔者就相关方面的进展进行综述,并对利用粗糙脉孢菌研究木质纤维素降解利用进行展望,总结和分析木质纤维素降解机制研究的国际前沿动态,有助于加深本领域研究人员对真菌体系纤维素降解机制的理解。     

粗糙脉孢菌木质纤维素降解利用研究进展简

粗糙脉孢菌作为木质纤维素降解真菌,不仅具有完整的木质纤维素降解酶系,而且还拥有全基因组基因敲除突变体库,是研究丝状真菌纤维素酶表达分泌和木质纤维素降解机制的优秀体系。近年来,国内外利用粗糙脉孢菌系统,在木质纤维素降解机制方面取得了显著进展,包括纤维素酶信号传导、调控以及生物质降解后糖的转运利用等。笔者就相关方面的进展进行综述,并对利用粗糙脉孢菌研究木质纤维素降解利用进行展望,总结和分析木质纤维素降解机制研究的国际前沿动态,有助于加深本领域研究人员对真菌体系纤维素降解机制的理解。     

解糖热解纤维素菌F32降解未预处理秸秆及产纤维素酶特性分析

【目的】明确极端嗜热厌氧木质纤维素降解菌解糖热解纤维素菌F32代谢特征,并分析其产酶特性。【方法】使用细胞计数法绘制菌株的生长曲线,使用离子色谱及气相色谱进行产物和残糖量分析,以DNS法及对硝基苯酚法检测菌株胞外蛋白的酶活性。【结果】解糖热解纤维素菌F32在以葡萄糖、微晶纤维素和未经预处理小麦秸秆为碳源时生长状况优于解糖热解纤维素菌DSM 8903。在以葡萄糖为碳源进行培养时,与菌株DSM 8903相比,菌株F32具有产乳酸较多,而产氢气较少的特点。在以微晶纤维素和未经预处理小麦秸秆为碳源进行培养时,与菌株DSM 8903相比,菌株F32胞外蛋白具有较高的内切纤维素酶活性和木聚糖酶活性。【结论】解糖热解纤维素菌F32表现出较强的木质纤维素降解能力,其与DSM 8903的产物组成及胞外蛋白的酶活性具有明显差异。     

一株多糖降解菌的分离、鉴定与琼脂糖降解能力

【目的】筛选海洋来源的多糖降解菌,分析其多糖降解能力并初探机制。【方法】碘液染色法从海泥中初筛琼脂糖降解菌,唯一碳源生长法分析菌株的多糖利用能力,克隆16S rRNA基因以分析系统分类地位。用硫酸铵沉淀法制备胞外粗酶制剂,DNS-还原糖法测定琼胶酶活性,活性染色法分析胞外琼胶酶系的组成特征。分离、纯化琼脂糖的酶解产物,通过TLC测定寡糖Rf值、阳离子质谱测定分子量。【结果】分离到1株能液化琼脂糖的海洋细菌JZB09,鉴定至桃色杆菌属(Persicobacter)。JZB09能利用11种不同的多糖为唯一碳源生长,在利用琼脂糖、纤维素和木聚糖时生长较好。胞外粗酶制剂的琼胶酶活力约77.2U/mg,含有至少2条琼胶酶,大小约45kDa、70kDa。酶制剂降解琼脂糖后的产物是系列新琼寡糖,四糖是主产物,表明β-琼胶酶在胞外琼胶酶系降解琼脂糖时起关键作用。【结论】海洋细菌Persicobacter sp.JZB09是1株多能型多糖降解菌,可分泌β-琼胶酶降解琼脂糖且活性显著,具有潜在开发价值。     

不同碳源条件下广叶绣球菌转录组分析

【背景】广叶绣球菌(Sparassis latifolia)是一种名贵的食用菌,其木质纤维素降解的分子机制尚不明确。【目的】了解广叶绣球菌在不同碳源条件下木质纤维素降解相关基因表达动态。【方法】通过转录组测序技术对分别以葡萄糖、纤维素+木质素、纤维素及松木屑为碳源的广叶绣球菌基因表达谱进行分析。以葡萄糖为碳源的样本为对照,分别对不同碳源下广叶绣球菌显著差异表达的基因进行功能分析。【结果】Geneontology(Go)富集分析表明,以葡萄糖为碳源的样本为对照,差异表达基因主要富集在碳水化合物利用的过程,如多糖催化过程、碳水化合物催化过程、碳水化合物代谢过程及多糖代谢过程等。碳水化合物活性酶(Carbohydrate-activeenzymes,CAZymes)功能注释表明,碳源种类主要影响了半纤维素和纤维素降解相关糖苷水解酶家族基因的表达,其中涉及半纤维素降解的相关酶基因上调幅度最大。同时,在纤维素+木质素、松木屑为碳源的处理组中一些转录因子基因上调表达显著。【结论】不同碳源显著影响了广叶绣球菌基因表达谱,这种对碳源的适应也可能反映了广叶绣球菌攻击植物细胞壁的机制,研究结果为深入了解广叶绣球菌木质纤维素降解的分子机理和相关功能基因提供了一些参考。     

大熊猫肠道正常菌群降解纤维素的机制

大熊猫的主食竹类粗纤维含量很高,而大熊猫自身的消化系统不能降解纤维素。现已从大熊猫的肠道正常菌群中鉴定出涵盖7个菌门的22种菌,相关的研究证明大熊猫的肠道正常菌群能降解纤维素。大熊猫肠道中的假单胞菌产生的漆酶能对竹纤维中的木质素进行氧化,使纤维素得以暴露,梭菌属、淀粉芽胞杆菌等产生的纤维素酶将其降解成大熊猫可利用的糖类。其具体机制有待进一步研究。     

微生物降解利用木质纤维素的协同作用

木质纤维素复杂的结构组成,是制约高效降解利用这一资源、发展生物炼制的瓶颈。微生物的多酶(菌)体系可有效降解木质纤维素。除好氧微生物的游离酶协同系统之外,主要存在于厌氧细菌中的纤维小体也是有序、高效的协同降解纤维素的复合体系。近年来,在天然纤维小体研究的基础上,研究者们成功设计、构建了人工纤维小体,加深了对这一复合体系的组成单元的理性认识。另外,菌群共培养技术利用各组成菌株代谢途径的协同作用实现了木质纤维素的高效降解。最后,引入异源纤维素酶,可改造现有工程菌株的代谢网络,提高工程菌发酵生产终产物的能力。这些技术有利于实现一步转化生产乙醇的联合生物工艺,有助于提高生物炼制的产率、降低生产成本。