木质纤维素降解酶的分子改造研究取得新进展

木质纤维素是地球上最为丰富的可再生资源，能将木质纤维素降解为葡萄糖的木质纤维素酶是一个复合酶系，其中的组分在养殖、食品、酿酒、纺织、洗涤、能源和造纸等工业中也具有广泛的应用价值。利用基因工程手段对纤维素酶分子进行改造实现定向进化，开发热稳定和活力提高的纤维素酶，对水解木质纤维素底物具有潜在的巨大优势。耐热性酶较高的比活可以降低所需的酶量，其高稳定性也使水解时间得以延长从而提高酶的性能。此外，增强的热稳定性也使得酶可以在高温生产体系中应用，同时高温环境还可以降低其它微生物污染的风险。这一切都会大大增加整体的经济效益，在工业化生产中具有实际意义。
中国科学院成都生物研究所吴中柳研究员课题组通过基因家族改组、随机突变和理性设计综合运用等手段，研究了酶蛋白结构功能关系，获得了多种耐热性或活力大幅度提高的人工酶。采用易错PCR、基因家族改组以及半理性设计等方法，研究人员把嗜热脂肪土芽孢杆菌内切木聚糖酶XT6在75°C热失活半衰期提高了52倍，并将其最适反应温度从77°C提高到了87°C，同时催化效率(kcat/Km)也提高了90%；根据已知的晶体结构，采用计算机预测软件PoPMuSiC对其进行理性设计和预测，通过定点突变的方法把黑曲霉阿魏酸酯酶FaeA在50°C热失活半衰期从8分钟提高到77分钟，催化转化数提高10倍，单位体积培养液中的酶活力提高30倍以上；利用家族改组、定点突变和饱和突变的方法，把嗜热放线菌b-葡萄糖苷酶BglC在61°C热失活半衰期提高了144倍；采用饱和突变和理性设计的方法，把热纤梭菌内切葡聚糖酶CelA在86°C热失活半衰期提高了10倍且最适反应温度也提高了10°C。
这些研究工作有利于降低木质纤维素降解的生产成本，进一步推动耐热型木质纤维素酶的工业化应用。该系列成果发表在BioresourceTechnology(2010)上。