木質纖維素是地球上最豐富的可再生資源，其合成與降解是自然界碳素循環的中心環節。植物細胞壁在進化過程中形成了天然的“抗降解屏障”，特別是在半纖維素中，大多數多糖均含有側鏈修飾，降解困難。青島能源所微生物資源團隊長期致力于嗜熱微生物降解木質纖維素的機制研究，近期與美國北卡羅來納州立大學的Robert Kelly教授合作，闡明了極端嗜熱微生物Caldicellulosiruptor阿拉伯呋喃的酶解機制及其與木聚糖酶協同降解效應，對于木質纖維素的生物降解有重要意義，該成果發表在2017年的Applied Environmental Microbiology (AEM), 83:e00574-17上，微生物資源團隊李福利研究員和呂明副研究員為該文通訊作者，同時申請發明專利一項。
此外，纖維素降解糖苷水解酶中，5家族為數眾多，具有纖維素酶和地衣多糖酶等活性，但是雙功能纖維素酶/地衣多糖酶底物的選擇性機制尚不清楚。研究所微生物資源團隊與代謝物組學團隊馮銀剛研究員、仿真模擬團隊姚禮山研究員以及清華大學王新泉教授合作，解析了極端嗜熱厭氧菌Caldicellulosiruptor sp. F32的糖苷水解酶F32EG5的蛋白及蛋白底物復合體結構，揭示了底物選擇性機制。該工作已在線發表于Biochemical Journal上，李福利研究員和馮銀剛研究員為該文的通訊作者。
研究團隊發現F32EG5能夠切斷-1,3-1,4-葡聚糖底物的-1,3-糖苷鍵或 -1,3-糖苷鍵前面的 -1,4-糖苷鍵，與傳統的GH16家族地衣聚糖酶（切斷 -1,3-糖苷鍵后面的 -1,4-糖苷鍵）截然不同，是一種新的 -葡聚糖糖苷鍵切斷方式。F32EG5具有典型的GH5家族蛋白( / )8桶狀結構，具有獨特的底物結合位點，決定了底物特異性。復合體結構顯示，F32EG5具有一個急劇彎曲的底物結合孔道，與同樣具有彎曲構象的 -1,3-1,4-葡聚糖底物特異結合，決定了該蛋白的高地衣聚糖酶活性。分子動力學模擬及定點突變分析驗證了上述設想。
上述研究獲得了科技部973計劃、國家自然科學基金、山東省自然科學杰出青年基金、山東省重點研發計劃等支持。（文/圖 孟冬冬 呂明）
圖1 Arabinofuranosidase協同降解帶有阿拉伯糖側鏈的半纖維素模式圖
圖2 F32EG5底物特異性作用機制
原文鏈接：
http://aem.asm.org/content/83/13/e00574-17.abstract?sid=d68d0570-f831-409f-83b8-df27cd7b2ea2
http://www.biochemj.org/content/early/2017/08/24/BCJ20170328
