新的观察结果揭示了单个纤维素酶的运作方式

TrCel7a是一种纤维素酶：一种特殊的酶，可以分解纤维素，这是地球上最丰富的天然聚合物。这种酶就像一个微观的木材削片机。它吞下紧密结合的纤维素束并将它们分解成单糖。它的工作速度非常慢，但就像一辆卡车运行速度很慢的卡车一样，一旦开始运行就很难停下来。它也是自推进的，在很大程度上取决于它破坏的纤维素键的能量。

寻找制造像TrCel7a这样的酶更快更有效的方法可能是将纤维素制成的乙醇转化为主要新的可再生燃料来源的关键。在美国，每年大约有3.23亿吨纤维素废物被扔掉 - 足以提供目前燃料消耗量的30%。

范德比尔特大学化学与生物分子工程教授马修朗说：“到目前为止，这个系统在分子水平上都是一个黑盒子。我们知道这些酶做了什么，但我们不知道它们是如何起作用的。”

在朗实验室工作，博士生索尼娅布拉迪在TrCel7A的情况下打开了这个黑盒子并向内看。借用生物物理学家用于研究其他分子马达的技术，她以前所未有的细节测量了酶及其组成部分的行为。该研究的结果发表于2015年12月10日的在线期刊Nature Communications上。

“测量单个酶及其组成部分的行为是纤维素分解研究中的一种新策略，”Brady说。“我们希望它能提供其他人可以用来以新的和令人兴奋的方式将生物战略与工业过程结合起来的知识。”

在过去的八年中，美国政府一直支持开发先进生物燃料的重大计划。纤维素乙醇的主要研究领域之一是找到最有效和低成本的微生物和酶用于该过程。这些努力的大部分集中于寻找使纤维素酶产生的微生物产生更大量的这些酶的方法。

另一方面，Brady和Lang决定研究单个纤维素酶的工作方式。为此，他们选择了由丝状真菌里氏木霉(Trichoderma reesei)产生的纤维素酶，其是商业上用于分解纤维素的微生物之一。里氏木霉产生三种不同酶的混合物，用于此目的，其中60%(按质量计)为TrCel7A。

为了首先直接测量单个TrCel7A分子的机械性能，研究人员使用了一种称为光学镊子的仪器，用激光束抓取和操纵极小的物体。然而，它们不适用于像酶一样小的任何物质。因此，研究人员必须将微小的聚苯乙烯球体附着在单个分子上。(想象一下，在梅西百货的感恩节游行中，一个人拿着其中一个气球的绳索。)

一旦这样的球体附着并且酶被放置在纤维素纤维上，它就会在它工作时将球体拖到它后面。这使研究人员能够追踪其无形的运动。同样重要的是，研究人员可以用光学镊子抓住球体并对其施加力......将力传递给酶。通过协助和抵抗酶的运动，研究人员确定了使TrCel7A减速所需的力以及拉动它时加速的程度。

研究人员发现这种酶很慢。它沿纤维素链蠕变，平均每秒仅0.25纳米。这大约是每秒10个氢原子的宽度。他们发现它的运动包括一个纳米级的交替步长和不同长度的停留时间。“看起来它很容易增加步长，因为它似乎与纤维素中葡萄糖单元的长度直接相关，”Lang说。“但是，当我们施加辅助力时，我们可以通过减少停留时间来加倍酶的速度。”

此外，研究人员将酶分解为其组成部分，并澄清了每个部分的作用。TrCel7a有三个基本组成部分：一个主要的“催化结构域(CD)”，一个小得多的“碳水化合物结合模块(CBM)”和一个连接两者的灵活的“连接子结构域(LD)”。“我们称CBM和LD为CD的球和链，”Lang说。

利用该酶的遗传蓝图，研究人员制作了催化结构域的版本，没有附着LD和CBM。他们发现，一旦这张裸CD发现一股纤维素被咀嚼，它就会以与整个酶相同的方式表现出来。“这引发了为什么裁谈会保持其球和链的问题，”郎说。

答案似乎是通过附着在纤维素纤维上，CBM将CD保持在纤维附近，因此它可以找到松散的末端，它可以更容易地摄取。他们的研究表明，没有球和链的CD引发纤维素加工的速率仅为整个酶的1/50。

TrCel7A的一个局限性是它需要找到纤维素链的断端才能开始工作。这就是里氏木霉产生另一种叫做内切纤维素酶的酶的原因。这需要短的纤维素纤维块，基本上会产生TrCel7A可以开始消化的松散末端。结果，两种酶共同作用的分解速率显着高于它们能够独立工作的分解速率。

根据Lang的说法，他们研究的下一步是研究这些酶的集合在分子水平上如何协同作用。