能够切割纤维素的天然酶可以改变生物燃料的生产

纤维素的解构对于生物质转化为燃料和化学品至关重要。但纤维素是地球上最丰富的可再生聚合物，对生物解聚极其抗拒。尽管完全由葡萄糖单元组成，但其晶体微纤维结构以及与植物细胞壁中的木质素和半纤维素的结合使其具有高度的抗降解性。

因此，其在自然界中的降解缓慢，需要复杂的酶系统。纤维素的解构，除其他外，可以显著增加甘蔗乙醇的产量，几十年来一直是一项重大的技术挑战。

巴西能源与材料研究中心（CNPEM）的研究人员与巴西和国外其他机构的同事合作，刚刚获得了一种酶，这种酶可以彻底改变纤维素的分解过程，除其他技术应用外，还可以大规模生产所谓的第二代乙醇，这种乙醇来自甘蔗渣和玉米秸秆等农业工业废物。这项研究发表在《自然》杂志上。

“我们发现了一种金属酶，它通过一种以前未知的底物结合和氧化切割机制来增强纤维素转化。这一发现为植物生物质解聚的氧化还原生物化学开辟了一个新的前沿，对生物技术具有广泛的影响，”CNPEC生物催化和合成生物学研究小组负责人兼该研究协调员Mário Murakami说。

新发现的酶被命名为CelOCE，代表纤维素氧化裂解酶。它使用一种前所未有的机制切割纤维素，使酶混合物中的其他酶继续工作并将片段转化为糖。

村上表示：“比较一下，纤维素晶体结构的顽固性源于一系列经典酶无法打开的锁。CelOCE打开这些锁，允许其他酶进行转化。它的作用不是生产最终产品，而是使纤维素易于获得。这是一种协同作用，即CelOCE的作用增强了其他酶的作用。”。

据研究人员称，大约二十年前在酶混合物中添加单加氧酶是第一次革命。这些酶直接氧化纤维素中的糖苷键，促进其他酶的作用。这是氧化还原生物化学首次被用作微生物策略来克服纤维素生物质的顽固性。这树立了一个典范。

当时发现的一切都是基于单加氧酶的。现在，随着CelOCE的发现，这一范式首次被打破，CelOCE不是单加氧酶，并提供了更重要的结果。

“如果我们在酶混合物中添加单加氧酶，增加量为X。如果我们添加CelOCE，我们得到2X：是原来的两倍。我们通过微生物途径改变了纤维素解构的范式。我们认为单加氧酶类是自然界处理纤维素顽固性的唯一氧化还原溶液。

村上说：“但我们发现，大自然还发现了另一种基于极简主义结构框架的更好的策略，可以重新设计用于其他应用，如环境生物修复。”它是氧化性的。这样做会破坏晶体结构的稳定性，使其更容易被经典酶糖苷水解酶所吸收。一个非常重要的事实是，CelOCE是一种二聚体，由两个相同的亚基组成。而一个亚基“位于“纤维素上，另一种是免费的，可以进行二次氧化酶活性，为生物催化反应产生必要的共底物。

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“这真的非常有创新性，因为单氧化酶依赖于外部过氧化物来源，而CelOCE生产自己的过氧化物。它自给自足，是一台完整的催化机器。它的四级结构组织使不参与纤维素的位点有可能成为其过氧化物的产生者。

村上强调：“这是一个巨大的优势，因为过氧化物是一种反应性很强的自由基。它会与很多东西发生反应。很难控制。这就是为什么在工业规模上，向工艺中添加过氧化物是一个重大的技术挑战。使用CelOCE，这个问题就消除了。它可以在原地生产所需的过氧化物。”。

CelOCE是一种金属酶：这是它的确切分类，因为它的分子结构中嵌入了一个铜原子，而铜原子本身就是催化中心。它不是在实验室中创造的，而是在自然界中发现的。然而，为了实现这一目标，研究人员不得不动员大量的科学和设备。

“我们从圣保罗州一家生物精炼厂附近地区储存了几十年的甘蔗渣覆盖的土壤样本开始。

”在这些样本中，我们使用多学科方法，包括宏基因组学、蛋白质组学、色谱、比色和质谱法碳水化合物酶学、第四代同步加速器X射线衍射、荧光和吸收光谱、定点诱变、使用CRISPR/Cas对丝状真菌进行基因工程以及在65升和300升中试植物生物反应器中的实验，确定了一个高度专门化植物生物量降解的微生物群落。

村上说：“我们从生物多样性探索到机制阐明，再到在一个具有直接现实应用可能性的试点工厂进行工业相关规模的研究。”。

研究人员强调，这不是一个在工业规模上使用之前仍需要验证的实验室台架结果。概念验证已经在试点规模上进行了演示，新发现的酶可以立即纳入生产过程，这对作为生物燃料主要生产国的巴西以及在气候危机导致的紧急能源转型背景下的世界来说都是极其重要的。

巴西拥有世界上仅有的两家能够以商业规模从纤维素生产生物燃料的生物炼制厂。目前的趋势是，这些生物精炼厂在这里大量繁殖，并在其他国家复制。到目前为止，最大的挑战之一是纤维素生物质的解构：如何将其分解并转化为糖。CelOCE有望显著提高该工艺的效率。

村上认为：“目前，效率在60%到70%之间，在某些情况下可以达到80%。这意味着很多东西还没有被使用。产量的任何增加都意味着很多，因为我们谈论的是数亿吨的废物被转化。”。他补充说，这不仅是为了增加汽车乙醇的产量，也是为了增加航空生物燃料等其他产品的产量。p