真菌酶组合可以更有效地分解纤维素

可持续生物燃料商业化生产中最大的障碍之一是经济有效地将生物能源作物分解成糖，然后转化为燃料。为了减少这种障碍，生物能源研究人员正在寻找大自然和估计的150万种真菌，这些真菌总共可以分解地球上几乎所有物质，包括植物生物量。

正如2017年5月26日在加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员领导的自然微生物学小组所报告的那样，早期的真菌谱系可以形成能够降解植物生物量的酶复合物。通过将这些酶合并到蛋白质装配线中，他们可以比个体更有效地合作。这项工作是通过利用美国能源部(DOE)科学办公室用户设施的能力实现的：美国能源部联合基因组研究所(JGI)在劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室) ; 并且，在环境分子科学实验室(EMSL)在西北太平洋国家实验室(PNNL) 。

“在细菌中存在称为纤维素酶的蛋白质复合物，它们将酶组合在一起以分解植物生物量，”加州大学圣巴巴拉分校的资深作者Michelle O'Malley说。“我们的想法是，这些集群在攻击生物质方面更胜一筹，因为它们使用名为dockerins的塞子保持不同的酶，以便它们更有效地工作。细菌已在细菌中详细描述了20多年，但现在首次出现在真菌中。“

Omics为真菌酶复合物提供了见解

在DOE JGI和EMSL的帮助下，该团队现在已经在厌氧肠道真菌中发现了蛋白质复合物，O'Malley原则上表示同样的事情 - 将植物生物量作为一组酶进行攻击。虽然他们发现这些复合物中的许多酶来自与肠道细菌的水平基因转移，但他们也注意到与细菌纤维素体相比组成的差异。首先，dockerins和scaffoldin在真菌和细菌之间并不相似。此外，细菌纤维素体是物种特异性的。把他们想象成一起做所有事情的高中集团。相反，

该研究涉及对属于Neocallimastigomycetes的五种真菌的比较基因组学分析，这是一种尚未充分研究的早期分化谱系的分支。从UC Santa Barbara团队收集的动物肠样品中分离出三种真菌，并由DOE JGI进行测序和注释。“蛋白质组学数据和基因组学数据使我们能够弄清楚这些复合物是什么，并在其他基因组中寻找它们，”奥马利说。“三个基因组确实很好地解决了，你可以开始研究那里有什么，调节酶的产生，以及酶是如何进化的。”

研究共同资深作者和DOE JGI 真菌基因组计划负责人Igor Grigoriev指出，多组学方法通过协作科学计划利用基因组学和分子表征能力，允许研究人员在一个被称为设施整合合作的拟议项目中访问多个用户设施用户科学(FICUS)对研究至关重要。

“这是我们第一次看到部分真菌纤维素体，”格里戈里耶夫说。“通过JGI-EMSL FICUS计划，蛋白质组学使我们能够找到这些真正大的~700千道尔顿(kDa)真菌蛋白中的第一种，它们将所有酶保持在一起(与平均蛋白质的分子量为34 kDa相比)。然后，高质量的基因组装配使得能够在每个肠道真菌基因组中鉴定该蛋白质的多个拷贝。仅仅拥有蛋白质组学或测序工具是不够的，因为这些蛋白质与Neocallimastigomycetes之外的任何其他蛋白质都不相似。虽然真菌纤维素酶是通过蛋白质组学发现的，但我们需要基因组学和转录组学解码其所有部分。“

这项工作是O'Malley对厌氧肠道真菌研究的延伸，该研究去年出现在“科学”杂志上(观看她在2016年DOE JGI能源与环境基因组学会议上的讲话，位于bit.ly/JGI2016OMalley)。这是很多相同的参与者，但我们现在正在深入挖掘，因为我们有高分辨率的基因组，而我们当时没有它们，“她说。“我们能够进行更多的比较遗传学，现在我们正试图弄清楚它们在微生物组中的生态作用。”

更详细地了解生物质降解的蛋白质机制对于推进DOE从植物原料开发可持续生物燃料的议程至关重要。高通量测序与复杂的蛋白质组学相结合，不仅阐明了真菌生物量降解能力的多样性和复杂性，而且还为利用合成生物学和代谢工程方法开发这些能力提供了知识基础。

美国能源部科学办公室提供了对这项工作的支持，包括早期职业研究计划奖，国家科学基金会，美国农业部，美国陆军研究办公室和加州大学。