探秘白蚁肠道微生物组：两种 GH10 酶助力高粱秸秆高值化利用

为解决木质纤维素生物质利用成本高及挖掘新型酶的问题，研究人员对来自白蚁肠道微生物组的两种 GH10 酶（Xyl10 C 和 Xyl10E）进行研究。结果显示，它们能水解预处理高粱秸秆，产物有抗氧化活性。这为农业废弃物利用提供了新途径。

　　

在地球的生物宝库中，木质纤维素是最为丰富且可再生的碳源，它主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。然而，植物来源的木质纤维素生物质，因其复杂的聚合物组成，如同坚固的堡垒，阻碍了对其多糖中糖分成分的高效利用。为了攻克这一难题，人们通常在酶解前对其进行物理、化学或生物预处理，其中碱性化学预处理虽常用，但成本高昂，成为大规模商业化的绊脚石。

在寻找可持续生物质资源的道路上，甜高粱（Sorghum bicolor）秸秆进入了研究人员的视野。它是甜高粱茎汁提取后的剩余物，约占植株的 36% 。而且，甜高粱凭借其高光合速率、丰富遗传多样性和耐旱性，在生物燃料生产和高附加值生物分子来源方面极具潜力。

与此同时，酶在推动传统化学工业向绿色可持续方向发展中扮演着关键角色。木聚糖酶（Xylanases，EC 3.2.1.8）可催化木聚糖（半纤维素中最丰富的多糖）内部 1,4-β-D 木糖苷键的水解；β - 葡聚糖酶（β -glucanases）能将 β - 葡聚糖水解为纤维寡糖（COs）和葡萄糖。这些酶在多个行业都有广泛应用，如木聚糖酶用于造纸、生物乙醇生产等，β - 葡聚糖酶则在饲料、食品和纺织业发挥重要作用。

复杂微生物群落的数据密集型宏基因组方法，为寻找和鉴定新型酶提供了有力工具。白蚁肠道作为一个特殊环境，具有独特的 pH、氧气和底物梯度，类似工业环境，且其中多数微生物难以培养，使得宏基因组研究成为筛选特殊酶的理想选择。

基于此，来自阿根廷和意大利等科研机构的研究人员，开展了一项旨在深入探究白蚁肠道微生物组中潜在木聚糖酶的研究。他们从白蚁肠道微生物组中筛选并鉴定了两种新型糖苷水解酶家族 10（GH10）的酶 ——Xyl10 C 和 Xyl10E，研究成果发表在《Applied Microbiology and Biotechnology 》上。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过生物信息学分析从白蚁肠道宏基因组中筛选出编码 Xyl10 C 和 Xyl10E 的基因。接着，采用克隆、表达和蛋白纯化技术获得重组蛋白。之后，利用生化分析方法，测定酶在不同底物上的活性、最适 pH 和温度、热稳定性等特性，并借助薄层层析（TLC）和高效阴离子交换色谱（HPAEC-PAD）分析水解产物。此外，还运用分子分析技术对酶的结构进行研究。

研究结果

1. 预处理高粱秸秆的化学组成：预处理后的高粱秸秆（SBB）主要由木糖、阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖组成，其中木糖含量最高。通过多种分析技术确定了其单体比例和多糖结构特征。

2. Xyl10 C 和 Xyl10E 的序列与系统发育分析：BLASTP 分析显示，Xyl10 C 和 Xyl10E 与来自 Treponema sp. 的内切 β -1,4 - 木聚糖酶相似度较高。多序列比对发现，它们在 GH10 家族的催化区域高度保守。系统发育分析表明，这两种酶与来自白蚁肠道微生物组的木聚糖酶聚类在一起。

3. Xyl10 C 和 Xyl10E 的克隆与异源表达：成功克隆并表达了 Xyl10 C 和 Xyl10E，获得的重组蛋白分子量与预期相符，为后续研究提供了物质基础。

4. 重组酶的活性表征：Xyl10 C 和 Xyl10E 对山毛榉木聚糖和预处理 SBB 均有活性，Xyl10E 还对大麦 β - 葡聚糖有活性。Xyl10 C 在 pH 7.0 - 8.0、50 - 60°C 时木聚糖酶活性最佳；Xyl10E 的活性 pH 范围更宽（5.0 - 10.0），最适温度为 50°C。二者在 40°C 孵育 8 h 后，仍分别保留 85% 和 70% 的木聚糖酶活性。Xyl10 C 在高盐浓度下活性增加，表现出耐盐性。

5. 水解产物分析：TLC 和 HPLC 分析表明，Xyl10 C 和 Xyl10E 水解山毛榉木聚糖和预处理 SBB 的主要产物是木二糖（X2），还有少量木糖（X1）、木三糖（X3）和木四糖（X4）。Xyl10E 水解预处理 SBB 时，6 h 时 X2 释放量最高。

6. 木寡糖的抗氧化活性：Xyl10E 水解预处理 SBB 产生的木寡糖（XOs）具有浓度依赖性的抗氧化活性，在 DPPH 和 ABTS 自由基清除实验中均得到验证。

7. Xyl10 C 和 Xyl10E 的结构分析：分子结构分析显示，两种酶都具有 GH10 家族典型的 (β/α)₈TIM 桶状结构。Xyl10E 的催化口袋更大，与双功能特性相关。二者与配体的相互作用存在差异，与纤维六糖配体的相互作用比与木七糖配体的相互作用差异更大。

研究结论与讨论

本研究对预处理 SBB 的组成以及 Xyl10 C、Xyl10E 及其组合的酶活性进行了全面表征。这两种酶来自白蚁肠道微生物组，与 Treponema sp. 的内切 β -1,4 - 木聚糖酶高度相似，在进化上适应复杂的木质纤维素底物。

Xyl10 C 对木聚糖具有高底物特异性，Xyl10E 则具有双功能性，能作用于大麦 β - 葡聚糖，这是首次报道来自白蚁肠道微生物组的 GH10 双功能木聚糖酶 /β - 葡聚糖酶。尽管二者氨基酸同源性高，但酶学特性不同，Xyl10E 的双功能性与其结构特征有关，如更宽的催化口袋和特定氨基酸残基。

在工业应用方面，Xyl10 C 的耐盐性使其在海鲜加工等行业具有应用潜力；Xyl10E 可用于酿造工业降低醪液粘度。两种酶水解预处理 SBB 产生的 XOs 具有抗氧化活性，且 X2 含量较高，在食品、医药等领域有潜在应用价值。

总之，该研究揭示了 Xyl10 C 和 Xyl10E 在 SBB 增值利用中的生物技术相关性，为可持续工业应用提供了新的酶资源，也为进一步探索白蚁肠道来源的酶奠定了基础。