利用荧光光谱技术、APCS-MLR模型以及PMF受体模型，对中国淮北平原地区城市河流的污染源进行了识别

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Identification of pollution sources of urban rivers by fluorescence spectroscopy and APCS-MLR and PMF receptor modelling in the Huaibei Plain, China

通过氨基酸（尤其是组氨酸）提高纤维素酶对酸性预处理产生的抑制性副产物（如伪木质素）的耐受性，实验显示组氨酸可将葡萄糖产率提升至60%以上，伪木质素含量降低至21-25%。分子模拟表明组氨酸的咪唑基团通过静电作用、氢键、π-π堆积和范德华力增强抑制物结合常数（69.18）和稳定性（ΔG=-11.4）。

　　本研究聚焦于木质纤维素在酸性预处理过程中产生的抑制性化合物对酶解效率的影响，并探讨了不同氨基酸在缓解这些抑制效应中的作用。木质纤维素是生物燃料和生物化学品生产的重要原料，因其可再生性和丰富的储量，成为可持续能源开发的关键资源。然而，在预处理阶段，木质纤维素的结构被破坏，释放出多种抑制性物质，这些物质会显著降低酶解效率，从而影响整个生物转化过程的经济性和可行性。因此，寻找能够提高酶对这些抑制性化合物耐受性的方法，成为推动木质纤维素利用的重要课题。

在酸性预处理过程中，抑制性化合物主要包括来源于碳水化合物的产物，如糠醛（FF）和羟甲基糠醛（HMF），以及来源于木质素的酚类衍生物。这些物质在冷却阶段可能通过缩合和聚合形成伪木质素，这是一种由芳香和脂肪结构组成的无定形、异质性材料。伪木质素会在生物质表面沉积，形成一层阻碍酶渗透的涂层，从而进一步限制酶对纤维素的访问，降低酶解效率。因此，如何有效去除这些抑制性物质或提高酶的抗抑制能力，是提升木质纤维素转化效率的关键。

研究团队通过实验与计算相结合的方法，分析了多种氨基酸对抑制性化合物的影响。选择的氨基酸涵盖了不同的电荷性质、疏水性和氢键能力，以评估其在缓解抑制效应中的潜在作用。结果显示，带电氨基酸——组氨酸（His）、精氨酸（Arg）、天冬氨酸（Asp）和谷氨酸（Glu）——在提高葡萄糖产量方面表现出最佳效果。在48小时的酶解过程中，葡萄糖产量在添加这些氨基酸后超过了60%，而对照组仅为46.7%。此外，这些氨基酸还能有效减少伪木质素的形成，使木质素含量从35.7%降低至21–25%。其中，组氨酸展现出最高的抑制性物质去除效率（91.2%），其次是天冬氨酸（88.4%）、谷氨酸（86.9%）和精氨酸（86.5%）。

深入的体外实验和计算机模拟分析揭示了组氨酸的咪唑侧链在与抑制性物质相互作用中的关键作用。咪唑环能够通过多种协同作用，包括静电相互作用、氢键、π-π堆积和范德华力，与抑制性物质形成稳定的结合。这些相互作用不仅增强了组氨酸与抑制性物质的结合能力，还显著提高了抑制性物质与酶之间的结合稳定性。具体而言，组氨酸表现出最高的结合常数（Ka: 69.18）和最负的自由能变化（ΔG: -11.4），这表明其与抑制性物质之间的结合更为紧密且具有更高的能量优势。这种结合能力使得组氨酸在抑制性环境中仍能保持较高的催化活性，从而显著提升酶解效率。

这一发现为开发新一代具有更强抗抑制能力的（半）纤维素酶提供了重要的理论依据和实践指导。通过引入组氨酸等特定氨基酸，可以有效增强酶对预处理过程中产生的抑制性化合物的耐受性，从而减少对昂贵脱毒步骤的依赖。这不仅有助于降低生产成本，还能提高整个生物转化过程的效率，为实现可持续的生物精炼厂提供技术支持。

为了验证这些氨基酸的保护作用，研究团队采用了一系列实验和分析方法。首先，进行了酸性预处理实验，将氨基酸添加到预处理过程中，以评估其对抑制性物质形成的影响。随后，使用预处理后的生物质和模型底物（Avicel）进行酶解实验，以测定氨基酸对酶解效率的提升效果。同时，对生物质的化学成分变化进行了分析，包括氮含量、接触角、ζ电位和底物可及性等参数的测定，以全面评估氨基酸对生物质性质的影响。

此外，研究团队还利用气相色谱-质谱联用技术（GC/MS）监测预处理液中抑制性物质的浓度变化，以定量分析氨基酸对抑制性物质去除的效果。为了进一步揭示氨基酸与抑制性物质之间的相互作用机制，采用了荧光光谱、表面等离子体共振（SPR）和基于密度泛函理论（DFT）的分子模拟等先进方法。这些技术能够提供关于结合机制、结合位点和相互作用强度的详细信息，从而帮助研究人员更深入地理解氨基酸如何影响酶与抑制性物质的相互作用。

研究结果表明，组氨酸在抑制性物质去除和酶解效率提升方面具有显著优势。这不仅源于其咪唑侧链的多功能性，还与其在结合过程中表现出的强静电相互作用密切相关。相比之下，其他氨基酸虽然也显示出一定的保护效果，但其结合能力或相互作用机制未能达到组氨酸的水平。因此，组氨酸被视为一种极具潜力的候选氨基酸，用于工程化（半）纤维素酶，以增强其在抑制性环境中的稳定性和活性。

本研究的成果为未来在木质纤维素转化过程中优化酶性能提供了新的思路。通过在酶分子中引入特定的氨基酸，可以有效提高其对抑制性化合物的耐受性，从而在不依赖昂贵脱毒步骤的情况下实现更高的酶解效率。这不仅有助于降低生产成本，还能提高整个生物燃料生产过程的可持续性和经济性。此外，这些研究结果还可能为其他与抑制性物质相关的生物转化过程提供参考，例如在食品工业或制药领域中，如何通过酶工程提高反应效率。

在实际应用中，组氨酸的引入可以通过多种方式实现，例如在酶的基因工程中调整氨基酸序列，或在预处理过程中添加特定的氨基酸，以减少抑制性物质对酶活性的影响。然而，如何在不同条件下优化氨基酸的添加量和添加方式，仍然是需要进一步研究的问题。此外，研究团队还建议，未来的工作应更加关注不同氨基酸在不同抑制性物质中的作用机制，以及它们在不同酶类型中的适用性。这将有助于开发更广泛适用的抗抑制酶，从而推动木质纤维素转化技术的进一步发展。

总体而言，本研究通过系统分析不同氨基酸对抑制性物质的影响，揭示了组氨酸在提高酶解效率方面的独特优势。这些发现不仅深化了对酶-抑制性物质相互作用机制的理解，还为酶工程提供了新的方向。随着对抑制性物质形成机制和酶-抑制性物质相互作用的进一步研究，未来有望开发出更高效、更稳定的（半）纤维素酶，从而在可持续生物燃料生产中发挥更大的作用。