厌氧细菌Ruminiclostridium cellulolyticum中新型SGNH水解酶促进木质纤维素解聚的机制研究

《Communications Biology》：Uncovering enzymatic tools promoting lignocellulose breakdown in the anaerobic bacterium Ruminiclostridium cellulolyticum

本研究针对厌氧环境下木质素降解机制不明的科学难题，通过转录组学与生化验证相结合的策略，在产纤维小体的严格厌氧细菌Ruminiclostridium cellulolyticum中鉴定出两个具有肉桂酰酯水解酶活性的新型SGNH水解酶（SGNHh1060和SGNHh2017）。研究发现这些酶能特异性水解小麦秸秆木质素中的酯键修饰（如对香豆酸pCA和阿魏酸FA），首次揭示了厌氧细菌通过"温和去木质化"策略松动木质纤维素网络结构，从而促进多糖降解的分子机制，为理解全球碳循环和发展木质纤维素生物炼制技术提供了新视角。

　　

植物细胞壁是地球上最丰富的可再生有机碳库，其中木质纤维素作为主要组成部分，因其复杂的交联结构而具有高度抗降解性。虽然好氧微生物通过氧化酶系（如过氧化物酶）降解木质素的机制已较为明确，但在缺氧环境中（如湿地、反刍动物瘤胃），木质素如何被厌氧微生物解聚却长期存在争议。近年来虽有研究发现厌氧真菌具备有限的木质素解聚能力，但具体的酶学机制仍属未知。理解厌氧环境下的木质纤维素降解机制，不仅对全球碳循环研究至关重要，也为开发不依赖化石资源的生物炼制技术提供了理论基础。

在这项发表于《Communications Biology》的研究中，由Nicolas Vita领衔的研究团队以严格厌氧的纤维素降解模式菌Ruminiclostridium cellulolyticum为研究对象，系统揭示了该菌通过新型酯酶作用解聚木质纤维素网络的分子机制。

研究团队首先通过多组学联用技术证实了R. cellulolyticum在厌氧培养过程中能从小麦秸秆中释放对香豆酸（pCA）和阿魏酸（FA），并通过二维核磁共振（2D-HSQC-NMR）等技术发现残留底物中木质素结构单元比例的变化，首次为厌氧细菌能够修饰木质纤维素组装体提供了直接证据。

为鉴定关键酶学工具，研究人员设计了巧妙的转录组学分析策略：分别以纤维二糖、结晶纤维素和模拟植物细胞壁多糖组成的混合底物为参照，通过与小麦秸秆（含木质素）培养条件下的转录组比较，筛选出483个特异性上调基因。通过信号肽预测和功能域分析，最终聚焦于38个候选靶点，其中三个具有SGNH水解酶结构域的细胞ulosomal蛋白（SGNHh1060、SGNHh2017和SGNHh2395）引起了特别关注。

深入的生化表征显示，SGNHh1060和SGNHh2017不仅能水解常规酯底物（如pNP-乙酸酯），更关键的是能特异性作用于对香豆酸甲酯（MpCA）和阿魏酸甲酯（MFA），并能直接从小麦秸秆有机溶剂木质素中释放pCA和FA。而SGNHh2395仅显示典型的碳水化合物酯酶（CE）活性，这与其在CAZy数据库中的CE3家族分类一致。

通过基因敲除和过表达等遗传改造实验，研究人员发现过表达无dockerin结构域的SGNHh2017*变体能显著提高菌株在小麦秸秆上的代谢活性，并特异性促进甲酸盐的生成。同时，该工程菌株能更有效地从木质素中释放pCA和FA，但对木质素中tricin结构单元和pCA比例的影响与野生型不同，提示SGNHh2017在木质纤维素解聚过程中发挥着独特作用。

系统发育分析进一步表明，SGNHh1060和SGNHh2017的同源蛋白分布具有明显局限性，主要存在于少数产纤维小体的厌氧细菌中（如Ruminiclostridium、Anaerocolumna等），且多数含有dockerin模块。这与它们协同纤维小体发挥功能的特性相符，也暗示这是一种在厌氧纤维素降解菌中保守的木质素处理策略。

这项研究首次在分子水平证实了厌氧细菌能够通过特异性酯酶作用实现木质纤维素的"温和去木质化"。与传统好氧微生物的激进解聚策略不同，R. cellulolyticum采用的是一种更为精细的调控方式：通过SGNHh1060和SGNHh2017切除木质素上的羟基肉桂酸修饰（主要是pCA）和打破木质素-半纤维素之间的交联键（如FA参与形成的二阿魏酸桥），从而松弛木质纤维素网络结构，为纤维素酶和半纤维素酶接触多糖底物创造有利条件。

该发现不仅革新了我们对厌氧环境下碳循环机制的认识，也为开发新型生物炼制技术提供了宝贵的酶学工具。这些特异性作用于木质素修饰的酯酶，有望用于高值芳香族单体（如pCA和FA）的绿色提取，或与其他降解酶系协同作用提高木质纤维素转化效率，为实现碳中和目标下的生物经济发展提供新的技术路径。