郝 敏，李 慧，黃恒猛，劉占英，黃惠娟，李永麗，張永鋒

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 煤炭轉(zhuǎn)化與循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051）

木質(zhì)纖維素（lignocellulose）普遍存在于自然界中，主要由纖維素、半纖維素及木質(zhì)素構(gòu)成，這些物質(zhì)均是植物細(xì)胞壁的重要組成成分。纖維素是目前發(fā)現(xiàn)的數(shù)量最多的可再生資源，利用價值高，但只有少部分纖維素被人類所開發(fā)利用，大多數(shù)成為廢棄物［1］。纖維素由D－吡喃型葡萄糖基（失水葡萄糖）組成，極難溶于水，極難降解，但纖維素降解菌可高效降解纖維素，使纖維素轉(zhuǎn)化成化工產(chǎn)品和燃料，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境及生態(tài)的綠色可持續(xù)發(fā)展［2］。

纖維素降解菌是具有降解天然纖維素能力的細(xì)菌、真菌及放線菌的統(tǒng)稱。近年來，研究者對厭氧纖維素降解菌的關(guān)注增多。厭氧纖維素降解菌在自然界中廣泛存在，主要包括厭氧真菌和厭氧細(xì)菌，僅厭氧纖維素降解細(xì)菌就達(dá)12屬之多［3］。這些厭氧菌通過產(chǎn)纖維素酶進(jìn)一步組裝成纖維小體（cellulosome）去降解纖維素。纖維小體是通過細(xì)胞粘附蛋白附著在厭氧生物表面的一種大的、多酶系的蛋白質(zhì)［4］，能高效徹底地降解自然界中2個最豐富的聚合物材料——纖維素與半纖維素［5］。研究發(fā)現(xiàn)，纖維小體可大幅提高纖維素的降解率（高出單純纖維素酶降解纖維素幾倍），使得纖維素的利用率顯著提高。但不同纖維素降解菌所產(chǎn)生的纖維小體差異較大，主要是因自身組裝方式不同而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的差別［6］。

纖維小體通常存在于細(xì)胞表面，利用纖維素結(jié)合單位與纖維素表面充分接觸而起到降解作用，纖維小體的存在有利于纖維素酶發(fā)揮降解作用：（1）有利于各單位之間的協(xié)調(diào)與聯(lián)合作用；（2）防止單個效率低下的酶吸附纖維素；（3）防止因吸收部位相同使不同酶之間產(chǎn)生競爭；（4）使纖維素酶對纖維素有持續(xù)降解作用［7］。

纖維小體的存在也使纖維素降解菌自身具有以下優(yōu)勢：（1）可以更加直接并特異性地與底物纖維素接觸，比其它菌更具競爭力；（2）可使細(xì)胞與纖維素充分接觸，及時地吸收纖維素進(jìn)行降解，有效阻止其擴(kuò)散到周圍環(huán)境中［8］。

1 不同纖維小體的組裝模式

纖維小體主要由含多種類型粘連模塊的非催化亞基腳手架蛋白和含多種類型對接模塊的催化亞基酶蛋白兩部分組裝而成［9－11］，其中Ⅰ型粘連模塊與Ⅰ型對接模塊之間發(fā)生高親和力的蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用，從而使多種酶蛋白與支架蛋白特異性地結(jié)合起來，非催化亞基的腳手架蛋白上還包括1個X模塊和1個纖維素結(jié)合模塊（CBM）或碳氮水合物結(jié)合模塊（CBM）［12］，腳手架蛋白含有的CBM3a域用于特異性地結(jié)合具體的結(jié)晶纖維素［13］。但不同厭氧微生物產(chǎn)生的纖維小體的結(jié)構(gòu)組成與組裝模式具有明顯的多樣性。

1.1 組裝模式的多樣性

厭氧降解微生物的纖維小體組裝模式的多樣性主要表現(xiàn)在腳手架蛋白的數(shù)量、組成及結(jié)構(gòu)的多樣性。

1.1.1 嗜纖維梭菌

嗜纖維梭菌（Clostridium cellulovorans）的纖維小體依附于細(xì)胞表面，其分子量約為1×106Da，由至少10個亞單位構(gòu)成。其中僅有的1個腳手架蛋白CbpA是其最重要的亞單位［14］，分子量為189kDa。腳手架蛋白含有多個功能域，但是不具有催化活性。嗜纖維梭菌纖維小體的結(jié)構(gòu)見圖1［15］。

圖1 嗜纖維梭菌纖維小體的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of cellulosome of Clostridiumcellulovorans

1.1.2 溶纖維素擬桿菌

溶纖維素擬桿菌（Bacteroides cellulosolvens）的纖維小體是由2個腳手架蛋白和酶蛋白構(gòu)成的。其腳手架蛋白由含11個粘連模塊（粘合蛋白）的Ⅱ型初級腳手架蛋白ScaA和含10個粘連模塊（粘合蛋白）的Ⅰ型錨定腳手架蛋白ScaB組成［16］，這與常規(guī)的初級腳手架蛋白是Ⅰ型而錨定腳手架蛋白是Ⅱ型不同。溶纖維素擬桿菌纖維小體的結(jié)構(gòu)見圖2［17］。

1.1.3 熱纖梭菌

熱纖梭菌（Clostridium thermocellum）的纖維小體也由2個腳手架蛋白和酶蛋白構(gòu)成。其腳手架蛋白由常規(guī)的Ⅰ型初級腳手架蛋白和Ⅱ型錨定腳手架蛋白組成［18］。熱纖梭菌纖維小體的結(jié)構(gòu)見圖3［19］。

1.1.4 黃色瘤胃球菌17

黃色瘤胃球菌17（Ruminococcus flavefacien 17）的纖維小體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包含4個具有粘連模塊的腳手架蛋白ScaA、ScaB、ScaC和ScaE。其中ScaA和ScaB的粘連模塊為Ⅲ型［16］，ScaC的粘連模塊與其它腳手架蛋白的粘連模塊的類型不同。黃色瘤胃球菌17纖維小體的結(jié)構(gòu)見圖4［20］。

圖2 溶纖維素擬桿菌纖維小體的結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of cellulosome of Bacteroidescellulosolvens

圖3 熱纖梭菌纖維小體的結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of cellulosome of Clostridiumthermocellum

1.2 粘連模塊的多樣性

腳手架蛋白又稱支架蛋白（cellulose integrated protein A，CipA），由粘連模塊與纖維素結(jié)合域CBM構(gòu)成。研究表明，某些厭氧纖維素降解菌的粘連模塊間由不同長度的linker連接，有的嵌有親水性結(jié)構(gòu)域。不同厭氧纖維素降解菌腳手架蛋白上粘連模塊的數(shù)量、序列及類型（Ⅰ型、Ⅱ型）都不一樣，其與纖維素結(jié)合域CBM連接時的排列順序以及CBM類型也有差別［21］。但每個纖維小體的腳手架蛋白都是由信號序列起始的，這一點(diǎn)所有厭氧降解微生物都相同。

1.2.1 嗜纖維梭菌

嗜纖維梭菌的腳手架蛋白共包含9個粘合蛋白（coh）［11］。其與CBM的連接形式是CBM3后接9個coh，粘連模塊中有親水域嵌入［15，22］，如圖5所示。

圖4 黃色瘤胃球菌17纖維小體的結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of cellulosome of Ruminococcusflavefacien17

圖5 嗜纖維梭菌的粘連模塊Fig.5 The adhesion modules of Clostridium cellulovorans

1.2.2 溶纖維素擬桿菌

溶纖維素擬桿菌的腳手架蛋白共包含10個coh、1個CBM、1個未知功能的X結(jié)構(gòu)模塊和表層同源（SLH）結(jié)構(gòu)域模塊，其與CBM的連接形式是5個coh后接CBM3，再接5個coh，其中粘連模塊1、2、3和4連接比較緊密［23］，如圖6所示。

圖6 溶纖維素擬桿菌的粘連模塊Fig.6 The adhesion modules of Bacteroides cellulosolvens

1.2.3 熱纖梭菌

熱纖梭菌是革蘭氏陽性菌［9］，其腳手架蛋白共包含9個coh，其初級腳手架蛋白的coh是Ⅰ型，而錨定腳手架蛋白的coh是Ⅱ型［24］。其與CBM的連接形式是2個coh后接CBM3，再接7個coh，如圖7所示。

1.2.4 黃色瘤胃球菌17

圖7 熱纖梭菌的粘連模塊Fig.7 The adhesion modules of Clostridium thermocellum

黃色瘤胃球菌17的ScaB共包含7個coh，且其僅由其粘合蛋白構(gòu)成，粘連模塊間由linker連接，如圖8所示［18］。

圖8 黃色瘤胃球菌17的粘連模塊Fig.8 The adhesion modules of Ruminococcus flavefacien 17

2 人工構(gòu)建纖維小體

人工構(gòu)建纖維小體使得纖維素可以更大程度地被降解利用，其價值得到進(jìn)一步提升。人工纖維小體概念由Bayer等首次提出，纖維小體的人工構(gòu)建就是利用基因重組技術(shù)設(shè)計半纖維素酶的復(fù)合體或纖維素酶，進(jìn)而高效降解木質(zhì)纖維素［25］。

人工纖維小體的基本理論即是先將所需的纖維素酶類與纖維小體的錨定蛋白相融合，之后將這個融合體通過與粘合蛋白的相互作用組裝在人工構(gòu)建的支架蛋白上，從而形成一個完整的纖維小體［24］。目前，已經(jīng)成功構(gòu)建出了名為Rosettazyme的合成纖維小體［26］。人工纖維小體的構(gòu)建使得纖維小體的研究邁向一個更高的臺階，從而進(jìn)一步提高纖維素的降解率、降低成本，對纖維素的工業(yè)化利用十分有利，使得綠色可持續(xù)發(fā)展能源有望盡快深入生活。

3 結(jié)語

由于植物細(xì)胞壁中的纖維素類成分可被纖維小體高效降解，故纖維小體在纖維素類物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)可再生能源的過程中起著極為重要的作用，也為可再生能源的尋找提供了新的途徑。因此，纖維小體的研究有著重要的實(shí)踐意義和應(yīng)用前景。理解纖維小體結(jié)構(gòu)的普遍性和這種超分子結(jié)構(gòu)的作用方式是降解纖維素和利用纖維素資源的關(guān)鍵。未來研究者應(yīng)繼續(xù)深入了解來源不同的纖維小體在組成上的同源性和多樣性、纖維小體中蛋白質(zhì)間的相互作用及纖維小體組織結(jié)構(gòu)的形態(tài)等，從而為工程改造纖維小體和利用纖維素資源提供更多的理論基礎(chǔ)。

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