研究揭示了细菌的蛋白质途径 以消化坚韧的纤维素

纤维素是由复杂的葡萄糖连接链构成的坚韧的生物聚合物，为绿色植物的细胞壁提供结构。科学家们希望，总有一天，这种无处不在的构造块，即地球上最丰富的多糖，充斥着太阳能，有朝一日将成为清洁能源生物燃料的廉价和可靠的原料。

太平洋西北国家实验室和威斯康星大学麦迪逊分校的科学家最近通过调查纤维杆菌琥珀酸S85(一种在奶牛和其他食草动物瘤胃中发现的厌氧细菌)解开了如何分解植物物质中的纤维素的神秘面纱。大多数厌氧微生物用纤维素酶降解纤维素，纤维素酶是自然界微生物消化机器的多酶蛋白复合物。但研究小组负责人Stephen Callister，手稿作者Meagan C. Burnet及其同事的新研究表明，F。succinogenes S85采用了另一种机制。

研究人员试图找出大多数细菌的纤维素降解酶所在的位置。他们是在细胞外的环境中吗?在它的外膜，还是在它的周围?他们总结说，纤维素降解发生在细胞外而不是内部。“我们认为较大的纤维素结构在细胞外的环境中会降解，”伯内特说。研究人员发现大多数CAZymes或碳水化合物活性酶，包括纤维素降解酶。他们还发现酶可以分解纤维素周质中较小的纤维素亚基，纤维糊精。

“有趣的是，我们的数据证明，F。succinogenes的纤维素降解涉及使用纤维泥和菌毛蛋白，”Burnet补充道，在其他细菌中命名一些与此过程无关的蛋白质。纤维素粘液蛋白在纤维素降解期间具有相对高的丰度，并且是纤维杆菌蛋白质组的一部分。他们可能参与细胞对纤维素的粘附。

在地球上的所有生物聚合物中，纤维素是最丰富的。寻找打破其坚固结构的关键将加速通过将植物材料转化为燃料的清洁能源未来之旅。将复杂分子分解为更简单的分子对于将物质的潜在能量转化为高辛烷值，液体和便携式燃料是必要的。但纤维素是一种长链有机聚合物; 打破其复杂分子是困难的。

通过这项额外的研究，F。succinogenes S85中的纤维素降解蛋白质机制更接近于解决，并且它们仍然是理解细菌如何起作用的核心。这些机制最终可以导致酶纤维素转化为生物燃料的更好优化。

目前的研究通过假设该细菌中纤维素降解的不同机制而增加了之前的研究。它发现大部分纤维素降解发生在纤维素和细菌外膜之间的一个小空间内; 纤维粘液蛋白似乎在产生这种纤维素解构空间方面很重要。F. succinogenes S85纤维素降解机制现在至少对未来的研究人员来说更清晰，Burnet说。“这篇论文让我们向前迈进了一步。”

为了了解它们可以添加到先前关于F. succinogenes S85的纤维素降解机制的研究中，研究人员进行了三次实验。

其中一个，威斯康星大学麦迪逊分校的Garret Suen和他的研究生Anthony Neumann对纤维素和葡萄糖上生长的F. succinogenes S85进行了RNA测序。他们发现大多数纤维粘液和菌毛蛋白在纤维素中的表达比在葡萄糖中的表达更多。这可能表明它们参与结合纤维素。

在PNNL的环境分子科学实验室(EMSL)，Burnet使用纤维素上生长的细菌的亚细胞分馏来分离其外膜，周质和细胞外培养基蛋白。随后的质谱分析显示在细胞外培养基中分离的蛋白质和大量独特酶的重叠。

伯内特说，对F. succinogenes S85中发现的蛋白质进行基因敲除研究以评估对纤维素降解的影响将会很有趣。降解是降低还是保持不变?如果是前者，她说，“我们知道，无论我们淘汰什么，都可能在降解纤维素方面发挥作用。”