PNAS：“海洋白蚁”纤维素酶可变废物为生物燃料

海洋白蚁：蛀木水虱
 

科学家发现了一种新酶，在寻求将废物（如纸、废木材和稻草）转变为液体燃料进程中迈出了重要一步。为此，他们把目光盯向微小海洋木蛀虫“蛀木水虱”的破坏力，已知其破坏海滨码头。

采用先进的生化分析和X-射线成像技术，来自约克大学、朴茨茅斯大学和美国国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员已经确定蛀木水虱分解木材的一个关键酶的结构与功能。发表在《PNAS》上的研究结果，将有助于研究人员为了创造可持续生物液体燃料而在工业规模上再现酶的作用。

用木质生物质（如木材和稻草）制造液体燃料，这些材料主体成分多糖（糖聚合物）必须被分解成单糖。然后单糖发酵生产液体生物燃料。这是一个艰难的过程，以这种方式生产生物燃料太昂贵了。

为寻找更有效、更便宜的转变木材为液体燃料的方法，科学家们正在研究可以分解木材的生物，希望开发同样的工业程序。

非常有趣的是蛀木水虱是木材消耗大户，具有需要的所有消化酶。酶附着于复杂的糖类长链，切下容易消化或发酵的可溶小分子。研究人员从蛀木水虱中确定了有一些独特特性的纤维素酶（将纤维素转化为葡萄糖的酶），并利用最新的成像技术认识、了解它。

该研究团队领导人、约克大学新型农业产品中心Simon McQueen-Mason教授解释说：“酶是作为催化剂的蛋白质，在本实例中，降解纤维素。其功能通过三维形状确定，但这些都是微小的、不能用高功率显微镜可视的实体。我们制造蛋白质晶体代替，其由数百万份的蛋白质按同一方向排列。”

朴茨茅斯大学结构生物学家John McGeehan博士说：“一旦我们成功地完成制造酶晶体这个棘手的任务，我们将送其到英国国家同步加速器科学设施钻石光源。与其用标准显微镜的透镜放大酶，我们宁愿用X射线的强烈光束投射晶体，产生一系列可以转化为3D模型的图像。钻石同步加速器产生非常好的数据，可视化酶的每一个原子的位置。然后，我们的美国同事用称为北海巨妖和红色台面的强大超级计算机模拟运行的酶模型。这些结果有助于揭示纤维素链被消化成葡萄糖的过程。”

这些信息将帮助研究人员设计更强效的工业用酶。而类似于木材降解真菌中所发现的纤维素酶，蛀木水虱酶表现出一些重要的差异。特别是，蛀木水虱纤维素酶对侵蚀性化学环境有强耐性，可以在七倍海水盐度以上的条件下工作。在逆境中活力强，意味着在工业条件下酶可以持续更长的有效时间，而且需要较少的酶。

McQueen-Mason教授解释说：“这是首次功能性描述这类动物酶的特性，为我们提供了一个以前未发现的其如何工作的情景。

“虽然这种酶看起来表面上类似于等效的真菌酶，仔细检查就发现结构上的差异，也是它特殊的特征，例如，酶具有极强的酸性表面，我们相信这是导致其强活性的特征之一。”

最终的目的是在工业规模上再现这种酶的作用。取代试图从蛀木水虱得到纤维素酶，研究团队已经把这种酶的基因蓝图转移到可以大量生产它的工业微生物，生物洗涤剂酶就是以同样方法生产的。他们希望这样做可以削减将木质材料转变为生物燃料的成本。

McQueen-Mason教授补充道：“酶的强活性本质使它能与海水结合使用，降低加工成本。降低酶的成本被视为用木质材料生产生物燃料的成本效益的关键。其强活性也令酶有更长的工作寿命，允许其回收再利用。”

这项工作是BBSRC可持续生物能源中心（BSBEC）部分内容。BSBEC有一个2400万英镑的投资，汇集了六个世界级的研究项目来开发英国能源研究能力。BBSRC美国合作奖资金有助于与美国能源部（US DOE）资助的NREL研究小组形成高度协同合作。

BBSRC首席执行官Douglas Kell说：“这是实现这些重要的酶潜能的激动人心的一步。如果我们可以有效地利用它们，废物可用于生产可持续燃料。这是双重利益：避免与粮食生产争夺土地以及利用木材和农业产业的废材。”

原文相关信息：

Marcelo Kern, John E. McGeehan, Simon D. Streeter, Richard N. A. Martin, Katrin Besser, Luisa Elias, Will Eborall, Graham P. Malyon, Christina M. Payne, Michael E. Himmel, Kirk Schnorr, Gregg T. Beckham, Simon M. Cragg, Neil C. Bruce, and Simon J. McQueen-Mason. Structural characterization of a unique marine animal family 7 cellobiohydrolase suggests a mechanism of cellulase salt tolerance. PNAS, June 3, 2013; doi:10.1073/pnas.1301502110

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