纖維素是由復(fù)雜的葡萄糖連接鏈構(gòu)成的堅(jiān)韌的生物聚合物，為綠色植物的細(xì)胞壁提供結(jié)構(gòu)。科學(xué)家們希望，總有一天，這種無(wú)處不在的構(gòu)造塊，即地球上最豐富的多糖，充斥著太陽(yáng)能，有朝一日將成為清潔能源生物燃料的廉價(jià)和可靠的原料。

太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家最近通過調(diào)查纖維桿菌琥珀酸S85(一種在奶牛和其他食草動(dòng)物瘤胃中發(fā)現(xiàn)的厭氧細(xì)菌)解開了如何分解植物物質(zhì)中的纖維素的神秘面紗。大多數(shù)厭氧微生物用纖維素酶降解纖維素，纖維素酶是自然界微生物消化機(jī)器的多酶蛋白復(fù)合物。但研究小組負(fù)責(zé)人Stephen Callister，手稿作者M(jìn)eagan C. Burnet及其同事的新研究表明，F(xiàn)。succinogenes S85采用了另一種機(jī)制。

研究人員試圖找出大多數(shù)細(xì)菌的纖維素降解酶所在的位置。他們是在細(xì)胞外的環(huán)境中嗎?在它的外膜，還是在它的周圍?他們總結(jié)說，纖維素降解發(fā)生在細(xì)胞外而不是內(nèi)部。“我們認(rèn)為較大的纖維素結(jié)構(gòu)在細(xì)胞外的環(huán)境中會(huì)降解，”伯內(nèi)特說。研究人員發(fā)現(xiàn)大多數(shù)CAZymes或碳水化合物活性酶，包括纖維素降解酶。他們還發(fā)現(xiàn)酶可以分解纖維素周質(zhì)中較小的纖維素亞基，纖維糊精。

“有趣的是，我們的數(shù)據(jù)證明，F(xiàn)。succinogenes的纖維素降解涉及使用纖維泥和菌毛蛋白，”Burnet補(bǔ)充道，在其他細(xì)菌中命名一些與此過程無(wú)關(guān)的蛋白質(zhì)。纖維素粘液蛋白在纖維素降解期間具有相對(duì)高的豐度，并且是纖維桿菌蛋白質(zhì)組的一部分。他們可能參與細(xì)胞對(duì)纖維素的粘附。

在地球上的所有生物聚合物中，纖維素是最豐富的。尋找打破其堅(jiān)固結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵將加速通過將植物材料轉(zhuǎn)化為燃料的清潔能源未來(lái)之旅。將復(fù)雜分子分解為更簡(jiǎn)單的分子對(duì)于將物質(zhì)的潛在能量轉(zhuǎn)化為高辛烷值，液體和便攜式燃料是必要的。但纖維素是一種長(zhǎng)鏈有機(jī)聚合物; 打破其復(fù)雜分子是困難的。

通過這項(xiàng)額外的研究，F(xiàn)。succinogenes S85中的纖維素降解蛋白質(zhì)機(jī)制更接近于解決，并且它們?nèi)匀皇抢斫饧?xì)菌如何起作用的核心。這些機(jī)制最終可以導(dǎo)致酶纖維素轉(zhuǎn)化為生物燃料的更好優(yōu)化。

目前的研究通過假設(shè)該細(xì)菌中纖維素降解的不同機(jī)制而增加了之前的研究。它發(fā)現(xiàn)大部分纖維素降解發(fā)生在纖維素和細(xì)菌外膜之間的一個(gè)小空間內(nèi); 纖維粘液蛋白似乎在產(chǎn)生這種纖維素解構(gòu)空間方面很重要。F. succinogenes S85纖維素降解機(jī)制現(xiàn)在至少對(duì)未來(lái)的研究人員來(lái)說更清晰，Burnet說。“這篇論文讓我們向前邁進(jìn)了一步。”

為了了解它們可以添加到先前關(guān)于F. succinogenes S85的纖維素降解機(jī)制的研究中，研究人員進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)。

其中一個(gè)，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Garret Suen和他的研究生Anthony Neumann對(duì)纖維素和葡萄糖上生長(zhǎng)的F. succinogenes S85進(jìn)行了RNA測(cè)序。他們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)纖維粘液和菌毛蛋白在纖維素中的表達(dá)比在葡萄糖中的表達(dá)更多。這可能表明它們參與結(jié)合纖維素。

在PNNL的環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(EMSL)，Burnet使用纖維素上生長(zhǎng)的細(xì)菌的亞細(xì)胞分餾來(lái)分離其外膜，周質(zhì)和細(xì)胞外培養(yǎng)基蛋白。隨后的質(zhì)譜分析顯示在細(xì)胞外培養(yǎng)基中分離的蛋白質(zhì)和大量獨(dú)特酶的重疊。

伯內(nèi)特說，對(duì)F. succinogenes S85中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)進(jìn)行基因敲除研究以評(píng)估對(duì)纖維素降解的影響將會(huì)很有趣。降解是降低還是保持不變?如果是前者，她說，“我們知道，無(wú)論我們淘汰什么，都可能在降解纖維素方面發(fā)揮作用。”