華裔學者Science組合技術獲研究突破

　　來自美國生物再生能源國家實驗室，生物科學與化學研究中心的研究人員將不同的顯微成像方法結合起來，深入解析了生物質(biomass)細胞壁和酶消化能力之間的關聯，獲得了一項重要的研究突破，這一突破將有助于優化糖生產，以及降低生物燃料的成本。相關成果公布在Science雜志上。

　　文章的第一作者和通訊作者均是美國生物再生能源國家實驗室丁世友(Shi-You DING，音譯)研究員，其早年獲得中科院植物分子進化專業博士學位，目前于美國國家可再生能源實驗室任職資深科學家。主要研究領域為纖維素結構與生物質降解，關注生物質生物降解系統的結構及生物化學研究，涉及領域包括生物能源及生物基產品、生物分子成像、植物生物學和應用生物納米科學等。

　　對于這一最新成果，丁世友表示組合這些成像技術，令他們能微觀觀察植物，實現納米級觀察范圍。這種方法不僅能用于了解植物細胞壁結構，而且也幫助研究人員觀察到了細胞壁聚合物的解構過程，以及細胞壁上酶的作用。

　　丁世友說，“了解生物質結構的典型方法就是分離開所有的單個元件，從而進行分析”，“但這種方法存在一個問題，那就是你不知道所有的元件來自哪里，這樣會失去結構的完整性”。

　　這會造成極大的損失，因為要了解酶如何消化植物，首先要知道細胞壁內所有一切存在于哪兒，因此研究人員沒有選擇這樣的化學解析方法。“我們的成像技術令我們更深入的了解了細胞壁結構，以及酶水解細胞壁的碳水化合物聚合物，釋放出單糖的過程。這有助于優化流程，降低成本。”

　　參與這一研究的Paul Gilna博士補充道，“這項工作有助于我們了解科學改進如何發生的，并且促進了可持續發展的纖維素生物燃料產業。”

　　在這項研究中，研究人員采用了實時成像的方法，這令他們能評估生物質水解中，去除木質素造成的影響，并且能以納米尺度分析細胞壁結構的變化。而且研究人員還可以觀測到這些變化對酶消化植物細胞壁速度的影響，比較不同生物的酶消化細胞壁的速率。

　　生物燃料制造就是要在不破壞植物聚合物碳水化合物構成基本分子的前提下，獲得聚合物。“這就像是用扳手，錘子，撬棍拆遷建筑物，回收可重復使用的磚塊，電線，管道，以及鋼材，而不是炸毀建筑物”，Gilna說。酶不同于典型的化學催化劑，擅長于這種相對溫和的拆卸方式。

　　這一研究小組分析了兩個酶系統：一個來自真菌，另一個來自細菌，這兩者都能作為生物催化劑，催化生成糖的中間產物，用于生產生物燃料。結果他們發現由真菌產生的分解纖維素的酶，比由細菌所產生的多酶復合物，能更有效地分解用于生產生物燃料的纖維素。

　　研究人員發現粘性聚芳香族植物中的非糖木質素能干擾酶作用，阻止其接近細胞壁中的多糖，而后者正是酶和這一行業所需的物質。

　　因此他們得出結論，認為理想的前期處理應該集中在去除木質素，從而能令細胞壁中的結構多糖保持完整性，創造一個相對寬松多孔的天然結構，方便酶的作用。之前則認為預處理應該去除一些海綿狀碳水化合物，生成一些更緊密，難以解析的結構。

　　這項研究采用了多種顯微技術，包括明視野光鏡、激光共聚焦掃描顯微鏡以及原子力顯微鏡，這些方法能幫助研究人員實時觀察不同的酶體系對植物細胞壁的攻擊。通過了解植物材料結構的變化，研究人員更多的掌握了酶如何工作的奧秘。

　　作者簡介：

　　Shi-You Ding 研究教授簡介中科院植物分子進化博士畢業，以色列特拉維夫大學博士后，2000年至今都在美國國家可再生能源實驗室任職資深科學家，2011年至今在科羅拉多礦業學院任職研究教授。擔任Biotechnology for Biofuels、Journal of Biomedicine and Biotechnology、Frontiers in Biotechnology、BioResources等期刊編輯，Science、Cellulose、J. Biological Chemistry等20多家SCI期刊雜志審稿專家。發表論文近百篇，論文被引用超過1900次，H因子>16，受邀做大會報告近四十余次。

　　Shi-You Ding 教授主要關注生物質生物降解系統的結構及生物化學研究，涉及領域包括生物能源及生物基產品、生物分子成像、植物生物學和應用生物納米科學等。在國家可再生能源實驗室研究主要包括：理解生物質抵抗轉化生物能源及生物基產品的結構及化學特征;理解生物質解構的分子機制，包括纖維素酶、微生物和生物質之間的分子相互作用等;開發提升生物質轉化生物能源及生物基材料的新途徑;從自然生境中發現創新性的纖維素酶系統等。主持美國能源部，國家可再生能源實驗室等項目多項，科研經費累計超過1600萬美元。