探秘白蚁肠道宝藏酶：挖掘 Syntermes wheeleri 肠道细菌来源的 GH9 糖苷水解酶的生化与结构奥秘

为解决开发高效纤维素酶鸡尾酒面临的挑战，研究人员从巴西塞拉多地区特有的白蚁 Syntermes wheeleri 肠道微生物群落中挖掘纤维素酶。他们鉴定并表征了新的 GH9 酶 Exo8574，其对特定底物有活性。这有助于推进生物质转化领域发展。

　　在大自然的奇妙世界里，有一种小小的生物 —— 白蚁，它们看似毫不起眼，却隐藏着大大的能量。在白蚁的肠道中，蕴含着一个神秘的微生物群落，这些微生物可是处理植物生物质的 “高手”。植物生物质，像木材、农作物秸秆等，是地球上极为丰富的可持续碳源，每年产量高达 200 亿吨。然而，它们的结构复杂，其中的纤维素（占干重 40 - 60%）、半纤维素（占干重 20 - 35%）和木质素（占干重 15 - 40%）紧密结合，使得利用它们变得困难重重。在工业应用中，如何高效地将这些植物生物质转化为有价值的产品，如生物燃料、食品添加剂等，成为了亟待解决的难题。

纤维素酶（Cellulases）在这个转化过程中起着关键作用，它属于糖苷水解酶（Glycosyl Hydrolases，GH）大家族，能够水解糖苷键，把纤维素分解成可利用的糖类。但目前，纤维素酶的发展面临诸多挑战，比如酶活性较低、容易受到产物抑制，而且针对不同类型的生物质，其优化也存在困难。为了攻克这些难题，巴西的研究人员把目光投向了白蚁肠道这个神奇的 “酶库”。

研究人员来自巴西的相关研究机构，他们从巴西塞拉多地区特有的白蚁 Syntermes wheeleri 肠道微生物群落中，开启了一场寻找纤维素酶的奇妙之旅。他们的研究成果发表在了《Enzyme and Microbial Technology》上。经过一系列的研究，他们成功鉴定并对一种新的家族 9 糖苷水解酶（GH9）Exo8574 进行了生化和结构表征。这一成果意义重大，为生物质转化领域的发展提供了新的思路和方向，有望助力开发出更高效的纤维素酶鸡尾酒，推动生物炼制产业的进步。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用 ggKbase 平台对 Syntermes wheeleri 肠道宏基因组序列进行组装和注释；然后，通过搜索 EC 3.2.1.91 来筛选编码纤维二糖水解酶（Cellobiohydrolases）的基因，并将相关序列导入 Geneious Prime 2022 软件进行分析；还使用了蛋白质结构预测方法 AlphaFold 2 来获取 Exo8574 的三维模型；此外，对 Exo8574 进行异源表达和纯化，以便开展后续的生化实验。

下面来详细看看研究结果：

• 宏基因组序列分析：研究人员借助 ggKbase 平台对 Syntermes wheeleri 肠道宏基因组序列进行处理，以 EC 3.2.1.91 为筛选标准寻找编码纤维二糖水解酶的基因。随后，将得到的序列以 FASTA 格式导出至 Geneious Prime 2022 软件进一步分析。从 Syntermes wheeleri 肠道中共获得 6 条纤维二糖水解酶（EC 3.2.1.91）蛋白质序列，经过筛选，排除 3 条序列，剩余 3 条被归类为 GH - 9 家族蛋白。最终，选定基因 WG1_assembly_scaffold_8574_2 克隆到 pET24a (+) 质粒用于蛋白质生产，因其在 6 个分析序列中每百万读数覆盖率最高（0.005） 。
• 生化特性研究：Exo8574 对底物对硝基苯基 - D - 纤维二糖苷（p - nitrophenyl - D - cellobioside，pNPC）表现出活性，这与纤维二糖水解酶的活性相符。通过生化实验发现，该酶的最适温度为 55 oC，最适 pH 为 6.0。在金属离子存在的情况下，酶活性会增强，尤其是 Fe²⁺ 。以合成底物 pNPC 测定，Exo8574 的动力学参数为：V_max = 9.14 ± 0.2×10^?5 μmol/min，K_m = 248.27 ± 26.35 μmol/L 。热稳定性测试显示，在 55 oC 孵育 1 小时后，酶活性损失 50% 。
• 结构特性研究：利用 AlphaFold 2 预测得到 Exo8574 的高质量三维模型。圆二色谱（Circular Dichroism，CD）分析表明，Exo8574 的二级结构含量依赖于 pH，在 pH 6.0 时，蛋白质在 β - 反平行和 α - 螺旋结构中的构象更为稳定。CD 结果与三维模型的拉氏图（Ramachandran plot）相似，说明获得的模型可靠。Exo8574 与厚壁菌门（Firmicutes）细菌的一种蛋白质具有 48.8% 的同源性。

研究结论表明，Exo8574 能够作用于 pNPC，这一特性为其在生物质转化领域的应用提供了可能。此外，Exo8574 与 Paenibacillus phyllosphaerae 细菌的酶具有相似性，这暗示了该微生物可能参与了 Syntermes wheeleri 肠道中木质纤维素的转化过程。值得一提的是，Exo8574 是首个被详细表征的源自该白蚁肠道的 GH9 酶，这一成果丰富了人们对 GH9 酶的认识，为后续深入研究奠定了基础。

从整体研究来看，该研究首次对源自巴西塞拉多地区白蚁肠道的 GH9 酶 Exo8574 进行了全面的生化和结构表征，为理解白蚁肠道微生物在木质纤维素转化中的作用提供了新的视角。研究成果不仅有助于推进生物质转化领域的发展，而且为开发更高效的纤维素酶鸡尾酒提供了有价值的参考，在生物炼制、工业酶开发等领域具有潜在的应用前景，有望为解决能源和环境问题贡献一份力量。