近日，在國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)和科技部科技支撐計劃等項目支持下，中國科學院青島生物能源與過程研究所在細菌纖維素酶表達調控機制研究中取得進展。
木質纖維素的高效降解是發展纖維素液體燃料的主要技術瓶頸之一。自然界中一些厭氧細菌能夠通過合成組裝一種名為“纖維小體”的蛋白質分子機器，高效降解木質纖維素。“纖維小體”是一種多亞基的纖維素酶復合體，其活性可達目前市場上常用的真菌游離纖維素酶系的50倍以上。但是由于纖維小體亞基眾多，目前仍然缺乏對其表達調控機制的深入認識。這一瓶頸也阻礙了細菌纖維素酶系及其活體細胞催化劑在纖維素液體燃料產業的應用。
青島能源所功能基因組團隊許成鋼博士和博士研究生黃冉冉等以解纖維梭菌Clostridium celluloyticu為模式物種，通過功能基因組手段，提出了細菌的“纖維素降解組(Cellulose Degradome)”模型(圖1)。
該菌近兩百個多糖降解酶(CAZymes)共分為兩類：核心酶和附屬酶。其中，核心酶主要負責纖維素的降解，其表達與碳源利用的難易程度、細胞代謝水平呈負相關，主要受到碳代謝抑制(Carbon catabolite repression, CCR)機制的調控;而附屬酶則主要負責非纖維素的降解利用，其表達具有底物特異性，主要受到雙組份系統(Two-component systems, TCS)的調控。因此，C.celluloyticum分別通過CCR和TCS感受胞內和胞外信號，高效地調控纖維素酶的轉錄。這一工作為在體外和體內針對細菌纖維素酶系的設計和優化提供了重要的思路和靶點。
同時，該小組還發現葡萄糖能夠促進其纖維小體組分的表達。由于該類細菌與葡萄糖發酵微生物(酵母等)兼具底物互補性與功能互補性，因此有助于實現木質纖維素的整合生物加工(Consolidated BioProcessing; CBP)。
上述成果由青島能源所功能基因組團隊負責人徐健研究員主持完成。以色列威茲曼研究所的Ed Bayer教授團隊和美國俄克拉荷馬大學周集中教授團隊也參與了該項研究。該研究成果已在線發表于Biotechnology for Biofuels。
圖1. Clostridiumcellulolyticum纖維素降解組的模型
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