华裔学者Science组合技术获研究突破

　　

生物通报道：来自美国生物再生能源国家实验室，生物科学与化学研究中心的研究人员将不同的显微成像方法结合起来，深入解析了生物质（biomass）细胞壁和酶消化能力之间的关联，获得了一项重要的研究突破，这一突破将有助于优化糖生产，以及降低生物燃料的成本。相关成果公布在Science杂志上。

文章的第一作者和通讯作者均是美国生物再生能源国家实验室丁士友（Shi-You DING，音译）研究员，其早年获得中科院植物分子进化专业博士学位，目前于美国国家可再生能源实验室任职资深科学家。主要研究领域为纤维素结构与生物质降解，关注生物质生物降解系统的结构及生物化学研究，涉及领域包括生物能源及生物基产品、生物分子成像、植物生物学和应用生物纳米科学等。

对于这一最新成果，丁士友表示组合这些成像技术，令他们能微观观察植物，实现纳米级观察范围。这种方法不仅能用于了解植物细胞壁结构，而且也帮助研究人员观察到了细胞壁聚合物的解构过程，以及细胞壁上酶的作用。

丁士友说，“了解生物质结构的典型方法就是分离开所有的单个元件，从而进行分析”，“但这种方法存在一个问题，那就是你不知道所有的元件来自哪里，这样会失去结构的完整性”。

这会造成极大的损失，因为要了解酶如何消化植物，首先要知道细胞壁内所有一切存在于哪儿，因此研究人员没有选择这样的化学解析方法。“我们的成像技术令我们更深入的了解了细胞壁结构，以及酶水解细胞壁的碳水化合物聚合物，释放出单糖的过程。这有助于优化流程，降低成本。”

参与这一研究的Paul Gilna博士补充道，“这项工作有助于我们了解科学改进如何发生的，并且促进了可持续发展的纤维素生物燃料产业。”

在这项研究中，研究人员采用了实时成像的方法，这令他们能评估生物质水解中，去除木质素造成的影响，并且能以纳米尺度分析细胞壁结构的变化。而且研究人员还可以观测到这些变化对酶消化植物细胞壁速度的影响，比较不同生物的酶消化细胞壁的速率。

生物燃料制造就是要在不破坏植物聚合物碳水化合物构成基本分子的前提下，获得聚合物。“这就像是用扳手，锤子，撬棍拆迁建筑物，回收可重复使用的砖块，电线，管道，以及钢材，而不是炸毁建筑物”，Gilna说。酶不同于典型的化学催化剂，擅长于这种相对温和的拆卸方式。

这一研究小组分析了两个酶系统：一个来自真菌，另一个来自细菌，这两者都能作为生物催化剂，催化生成糖的中间产物，用于生产生物燃料。结果他们发现由真菌产生的分解纤维素的酶，比由细菌所产生的多酶复合物，能更有效地分解用于生产生物燃料的纤维素。

研究人员发现粘性聚芳香族植物中的非糖木质素能干扰酶作用，阻止其接近细胞壁中的多糖，而后者正是酶和这一行业所需的物质。

因此他们得出结论，认为理想的前期处理应该集中在去除木质素，从而能令细胞壁中的结构多糖保持完整性，创造一个相对宽松多孔的天然结构，方便酶的作用。之前则认为预处理应该去除一些海绵状碳水化合物，生成一些更紧密，难以解析的结构。

这项研究采用了多种显微技术，包括明视野光镜、激光共聚焦扫描显微镜以及原子力显微镜，这些方法能帮助研究人员实时观察不同的酶体系对植物细胞壁的攻击。通过了解植物材料结构的变化，研究人员更多的掌握了酶如何工作的奥秘。

（生物通：张迪）

原文摘要：

How Does Plant Cell Wall Nanoscale Architecture Correlate with Enzymatic Digestibility

Greater understanding of the mechanisms contributing to chemical and enzymatic solubilization of plant cell walls is critical for enabling cost-effective industrial conversion of cellulosic biomass to biofuels. Here, we report the use of correlative imaging in real time to assess the impact of pretreatment, as well as the resulting nanometer-scale changes in cell wall structure, upon subsequent digestion by two commercially relevant cellulase systems. We demonstrate that the small, noncomplexed fungal cellulases deconstruct cell walls using mechanisms that differ considerably from those of the larger, multienzyme complexes (cellulosomes). Furthermore, high-resolution measurement of the microfibrillar architecture of cell walls suggests that digestion is primarily facilitated by enabling enzyme access to the hydrophobic cellulose face. The data support the conclusion that ideal pretreatments should maximize lignin removal and minimize polysaccharide modification, thereby retaining the essentially native microfibrillar structure.

作者简介：

Shi-You Ding 教授简介

中科院植物分子进化博士毕业，以色列特拉维夫大学博士后，2000年至今都在美国国家可再生能源实验室任职资深科学家，2011年至今在科罗拉多矿业学院任职研究教授。担任Biotechnology for Biofuels、Journal of Biomedicine and Biotechnology、Frontiers in Biotechnology、BioResources等期刊编辑，Science、Cellulose、J. Biological Chemistry等20多家SCI期刊杂志审稿专家。发表论文近百篇，论文被引用超过1900次，H因子>16，受邀做大会报告近四十余次。

Shi-You Ding 教授主要关注生物质生物降解系统的结构及生物化学研究，涉及领域包括生物能源及生物基产品、生物分子成像、植物生物学和应用生物纳米科学等。在国家可再生能源实验室研究主要包括：理解生物质抵抗转化生物能源及生物基产品的结构及化学特征；理解生物质解构的分子机制，包括纤维素酶、微生物和生物质之间的分子相互作用等；开发提升生物质转化生物能源及生物基材料的新途径；从自然生境中发现创新性的纤维素酶系统等。主持美国能源部，国家可再生能源实验室等项目多项，科研经费累计超过1600万美元。