在游戏中时光倒流中分解顽固的纤维素

奥地利 TU Graz 的研究人员首次成功地在单分子水平上可视化了生物纳米机器(称为纤维素体)所涉及的过程，因为它降解结晶纤维素。由此获得的基本见解可以支持纤维素利用的可持续概念，以在工业生物技术方面取得突破。

植物成分纤维素是一种极难分解的水不溶性聚合物。这使得在生物精炼厂中高效和可持续地利用植物生物质变得更加困难。“只有当有可持续且具有成本效益的纤维素降解方法时，我们才能开始从植物生物质中大规模生产燃料、化学品和材料，”生物技术专家兼生物技术与生化工程研究所所长 Bernd Nidetzky 解释说在 TU 格拉茨。

纤维素在自然界中的降解

在自然界中，纤维素的生物分解是通过纤维素酶或通过纤维素小体发生的。纤维素酶是特异性和作用方式不同的酶，它们协同参与木本植物(例如树木或灌木)的纤维素降解。尽管单个纤维素酶可能彼此非常接近，但它们是独立的、物理上独立的单元。另一方面，纤维素体是一种蛋白质复合物，是纤维素降解所必需的有序且物理互连的酶集合。

Bernd Nidetzky 和他的团队为自己设定了一项任务，即更好地理解和可视化纤维素小体本质上是降解纤维素的生物纳米机器。研究人员现在在奥地利科学基金 (FWF) 支持的项目中朝着这一目标迈出了决定性的一步。他们能够通过延时原子力显微镜在纤维素降解过程中在单分子水平上观察纤维素体，从而深入了解其操作模式。结果已发表在ACS Central Science 杂志上。

工作中的纳米机器

具体而言，研究人员记录了使用来自热纤梭菌的纤维素体降解纤维素的过程。结果表明，纤维素小体动态适应纤维素的不同表面条件。“当与纤维素结合时，纤维素小体会转变为细长的、甚至是线状的形式，并根据受到攻击的纤维素表面的要求，在不到一分钟的时间范围内动态地使它们变形。与纤维素酶相比，纤维素酶在滑动时会分离材料在结晶纤维素表面，纤维素小体保持局部结合数分钟并去除下面的材料。随之而来的表面粗糙化导致纤维素纳米晶体的有效降解，“Bernd Nidetzky 解释说。

生物精炼厂的前景

“我们的分析证明，纤维素小体在分解纤维素方面极其有效。因此，它们可以在生物精炼新方法的开发中发挥核心作用，”Nidetzky 强调说。通过利用纤维素体和游离酶形式的酶复合物的不同作用机制，纤维素降解可以更快、更完全并且需要更少的酶。因此，纤维素酶和纤维素小体的降解机制之间的协同作用有助于设计混合纤维素酶系统，并为生物精炼厂的应用提供新的视角。