极端嗜热纤维素降解菌Anaerocellum bescii中麦芽糊精ABC转运系统的生物物理与结构解析

这篇研究首次揭示了极端嗜热菌Anaerocellum bescii中两个ATP结合盒（ABC）转运蛋白Athe_2310和Athe_2574对麦芽糊精的转运机制。通过差示扫描量热法（DSC）和等温滴定量热法（ITC）证实，Athe_2310特异性结合短链麦芽糖（G2）和海藻糖（ΔTm=9.06℃），而Athe_2574偏好长链麦芽寡糖（G4-G7，Kd达0.049μM）。结合AlphaFold2建模和分子对接，阐明了其结合口袋亚位点差异，为理解极端环境下高效糖摄取提供了新视角。

　　

极端嗜热菌Anaerocellum bescii作为革兰氏阳性菌，在75℃高温环境下展现出卓越的木质纤维素降解能力。近期研究发现，该菌通过两套独特的ATP结合盒（ABC）转运系统实现麦芽寡糖的高效摄取，这一发现为理解极端环境微生物的糖代谢机制提供了重要线索。

基因组分析揭示，Athe_2308-2310和Athe_2574-2578两个基因簇编码的ABC转运系统均属于碳水化合物摄取转运家族1（CUT1）。有趣的是，这两个系统表现出明显的底物偏好性：Athe_2310对短链麦芽糖（G2）和海藻糖具有高亲和力（K_d=2.59-3.93μM），而Athe_2574则专一性识别长链麦芽寡糖（G4-G7），其中对麦芽七糖的结合力最强（K_d=0.049μM）。这种分工协作的转运策略，可能源于进化过程中对有限碳源的高效利用需求。

通过差示扫描量热法（DSC）检测发现，底物结合会显著改变蛋白的热稳定性。Athe_2310与麦芽糖结合后熔解温度升高9.06℃，而Athe_2574与麦芽七糖结合后ΔT_m达12.29℃。等温滴定量热法（ITC）进一步证实，Athe_2574对长链底物的结合自由能（ΔG）更低（-9.98 kcal/mol），主要驱动力来自焓变贡献。这种高热稳定性与高亲和力的组合，完美适应了高温环境下的生理需求。

结构生物学分析揭示了底物选择性的分子基础。AlphaFold2预测模型显示，Athe_2310仅含两个结合亚位点（109?³），关键残基F119和W243通过π-π堆积固定葡萄糖环；而Athe_2574具有更大的结合口袋（396?³）和四个亚位点，保守残基W333和Y147构成扩展的结合界面。分子对接模拟发现，麦芽四糖在Athe_2574中可形成更多氢键网络，这与实验测得的亚微摩尔级亲和力高度吻合。

值得注意的是，这两个转运系统共用同一个ATP酶MsmK（Athe_1803）。基因敲除实验证实，ΔmsmK菌株在麦芽糖培养基中生长受阻，光学密度仅为野生型的1/8。这种"一酶多配"的节能设计，可能反映了极端环境下基因组精简的进化压力。与中温菌Escherichia coli的通用型麦芽糖结合蛋白（MBP）相比，A. bescii的转运系统展现出更高的底物专一性和热稳定性。

该研究首次系统阐明了极端嗜热菌中糖转运的结构-功能关系，为开发高温生物加工工艺提供了理论依据。特别在生物能源领域，理解这些高效转运机制有助于设计新型工程菌株，将木质纤维素直接转化为高价值化学品。未来研究可进一步探索其他糖转运系统的特性，以及温度对转运动力学的影响，为构建完整的极端微生物代谢网络奠定基础。