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新型嗜热纤维素酶的性质研究及协同水解纤维素作用

王玉国  
【摘要】:将丰富的、可再生的纤维素资源转化为燃料和其它工业产品,对于社会的可持续发展意义巨大。纤维素可以转化成葡萄糖或者其他可发酵糖,进而转化成生物燃料或其他产品。在现有的纤维素转化技术中,纤维素酶被认为是关键因素。其中,嗜热纤维素酶在高温环境下有着独特的稳定性和高活力,因而具有无以比拟的优势。 本论文描述了从嗜热真细菌Fervidobacterium nodosum Rt17-B1基因组中克隆到一个新的纤维素酶基因,并在大肠杆菌中进行了表达。这一纤维素酶,属于糖苷水解酶第五家族,被命名为FnCel5A。此酶在大肠杆菌中以可溶蛋白的形式被大量表达,且易于被纯化。使用纯化后的重组纤维素酶,该酶的性质得到表征。此酶对羧甲基纤维素、β-D-1,3-1,4葡聚糖等底物表现出很高的水解活性。而且,该酶在高温环境下稳定性很好。例如,在80℃催化反应条件下的半衰期长达48小时。这些特性,使该酶在高温催化水解纤维素及半纤维素等的工业过程中,具有很大的应用潜力。 天然纤维素,是由无分支的长链状聚糖分子构成的,平行排列的链状分子非常有序,并通过多糖链间的氢键网络形成致密的结晶结构,使其难于被降解。所以,要想有效降解天然纤维素,破坏和松解其致密结构,要比单纯水解纤维素的糖苷键更重要。 膨胀素(swollenins)具有松解、破坏包括结晶纤维素在内的木质纤维素紧密结构的能力,但并不发生水解作用。本论文报道了源自真菌Trichoderma asperellum的膨胀素TasSWO在大肠杆菌中的表达,以及通过以纤维素为层析材料的新工艺,表达蛋白实现复性和纯化的过程。研究了该膨胀素与纤维素酶FnCel5A协同水解结晶纤维素的作用,引入简便有效的新实验方法,对膨胀素的性质进行研究。所使用的材料和定量方法,具有理论意义和应用前景。 可以使结晶纤维素紧密结构发生松动和破坏的,还有CBM(carbohydrate-binding module),其同样是通过一种非水解机制发挥功能。CBM的这一功能使其在水解天然纤维素的过程中至关重要;深入研究和增强这一功能,有助于解决天然纤维素水解效率低这一瓶颈问题。然而,之前还没有一种方便有效的定量方法,可以用来研究CBM的这种松解、破坏纤维素结晶结构的能力,这就阻碍了对CBM的系统、深入研究。我们建立了一套实用、系统的实验策略,通过CBM与纤维素酶FnCel5A协同水解纤维素的作用,来对CBM进行定量研究和比较。并通过生物信息学和计算生物学的方法,结合实验,做了更进一步的研究和阐述。同时,通过我们的实验策略,所获得的新嵌合纤维素酶,可以用于开发高效水解天然纤维素的工程酶。


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