探索真菌CE15葡萄糖醛酸酯酶与木聚糖酶的协同作用促进木质纤维素糖化

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：Exploring the synergy between fungal CE15 glucuronoyl esterases and xylanases for lignocellulose saccharification

木质纤维素生物质中木质素-碳水化合物复合物(LCCs)阻碍其生物降解。希腊国家技术大学团队通过异源表达两种白腐真菌来源的CE15葡萄糖醛酸酯酶(GEs)，系统研究了其与不同糖苷水解酶家族(GH10/11/30)木聚糖酶的协同降解机制。研究发现预处理方式显著影响GEs活性，在榉木和玉米麸底物中分别实现57-61μM木糖当量释放，并使GH30葡萄糖醛酸木聚糖酶特异性提高3倍。该研究为设计高效木质纤维素降解酶 cocktail 提供了新思路，发表于《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》。

　　

木质纤维素作为地球上最丰富的可再生碳源，其复杂的细胞壁结构形成了天然的生物降解屏障。其中木质素-碳水化合物复合物(LCCs)通过共价键网络将木质素与半纤维素紧密交联，特别是4-O-甲基葡萄糖醛酸(MeGlcA)与木质素间的酯键连接，严重阻碍了生物质的工业化利用。虽然CE15家族葡萄糖醛酸酯酶(Glucuronoyl Esterases, GEs)能特异性切割这些关键酯键，但其在天然底物上的作用机制及与其他水解酶的协同关系仍不明确。针对这一科学问题，希腊国家技术大学联合法国国家农业食品与环境研究院的研究团队，通过系统研究两种真菌GEs与不同木聚糖酶的协同效应，为突破木质纤维素生物精炼的技术瓶颈提供了新见解，相关成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》。

研究采用Pichia pastoris酵母表达系统异源表达Artolenzites elegans和Trametes ljubarskyi来源的AeGE15和TlGE15，通过亲和层析纯化后，使用高效液相色谱(HPLC)分析酶活。采用不同预处理方法(水/丙酮、高压蒸汽等)处理榉木和玉米麸底物，通过高效阴离子交换色谱(HPAEC)定量糖化产物。通过AlphaFold预测蛋白结构，结合动力学分析揭示底物特异性。关键发现包括：1)预处理方式决定GEs可及性，水/丙酮处理(160°C)保留18.7%木质素和19.7%半纤维素的底物最适；2)与GH11木聚糖酶AnXyn11协同使木三糖释放增加272%；3)显著提升GH30双功能木聚糖酶TtXyn30A的葡萄糖醛酸木聚糖酶活性。

在"GEs异源表达与生化特性"部分，研究显示两种GEs均含有CBM1碳水化合物结合模块，经EndoH处理后仍存在O-糖基化。AeGE15和TlGE15最适条件分别为50°C/pH5.0和40°C/pH5.0，对模型底物肉桂醇-D-葡萄糖醛酸酯的催化效率(k_cat/K_M)分别为1.5和4.0 mM^-1s^-1。结构模型揭示其具有典型的α/β水解酶折叠和保守的Ser-His-Glu催化三联体。

"GEs在预处理榉木上的活性"表明，仅在水/丙酮预处理样品中检测到显著活性。经AnXyn11预处理后，GEs使固体残渣中木糖当量释放增加57-61μM，并产生多种未鉴定的糖醛酸寡糖(UXOS)。与GH11木聚糖酶的协同实验显示，木三糖释放量提升254-272%，总半纤维素水解率从6%增至10%。

"与GH30葡萄糖醛酸木聚糖酶的协同作用"部分发现，在AnXyn11-OCE6预处理底物上，GEs使TtXyn30A的特征产物XUX(22-(4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸基)-木三糖)释放量增加233%。这验证了GEs通过解除MeGlcA-木质素酯键，显著增强GH30酶对复杂底物的可及性。

最后在"玉米麸协同降解"中，AeGE15与GH10木聚糖酶TmXyn10组合使木糖和木三糖释放分别增加27%和55%，而TlGE15未表现类似协同性，提示不同GEs可能存在底物偏好差异。

该研究首次系统阐释了真菌CE15 GEs通过三种协同模式促进木质纤维素降解：1)解除木聚糖酶的空间位阻；2)增强GH30酶对MeGlcA修饰位点的识别；3)提升复杂阿拉伯葡萄糖醛酸木聚糖的解构效率。这些发现不仅深化了对天然木质纤维素降解机制的理解，更为定制化酶 cocktail 设计提供了理论依据。特别是GH30-TtXyn30A与GEs的新型协同关系的揭示，为高值化利用木质纤维素中的取代低聚糖开辟了新途径。未来研究可进一步探索不同预处理方式对LCCs结构的精确影响，以及GEs在木质素高值化利用中的潜在应用。