从珠峰土壤宏基因组发掘耐盐耐温多功能纤维素酶ZFEG1605与ZFEG1663及其生物质转化潜力

推荐 为解决传统方法筛选纤维素酶效率低、难以获得新型酶源的问题，中国科学院团队通过珠峰土壤宏基因组文库筛选，成功克隆并表征了两种新型GH6家族内切葡聚糖酶ZFEG1605和ZFEG1663。研究表明，二者均表现出耐盐（>70%活性保留于2.5 M NaCl）、耐温（ZFEG1605热稳定性达50℃）及宽pH适应性（pH 4-8），且能高效水解魔芋葡甘露聚糖（KG）、羧甲基纤维素钠（CMC）等底物，对木质纤维素生物质转化具有重要应用价值。

　　

论文解读
研究背景与意义
纤维素作为植物细胞壁的主要成分，其降解依赖内切葡聚糖酶（Endoglucanases, EGs）、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶协同作用^[1]。传统纤维素酶多源于真菌（如Trichoderma reesei）和可培养细菌，但受限于培养技术效率低下（仅1%微生物可培养）^[10,11]。近年来，宏基因组学通过直接挖掘环境DNA，为发现新型酶提供了新途径^[12]。青藏高原极端环境微生物因适应高寒、低氧及高盐胁迫，可能编码独特功能酶。本研究针对这一假设，从珠峰土壤宏基因组文库中筛选出两种GH6家族内切葡聚糖酶ZFEG1605和ZFEG1663，并系统解析其理化特性与应用潜力。

研究机构与方法
中国科学院团队采用功能宏基因组学策略，通过CMC-Congo Red染色法从珠峰土壤宏基因组文库中筛选阳性克隆^[21]。随后利用生物信息学分析预测酶结构，并在大肠杆菌BL21(DE3)中异源表达重组蛋白。通过测定酶活性、pH/温度稳定性及盐耐受性，评估其生物质转化能力。

研究结果
宏基因组文库筛选
从珠峰土壤提取环境DNA（eDNA），构建宏基因组文库后，通过CMC-Congo Red染色法筛选出两个活性克隆c1605和c1663^[21]。测序显示其编码蛋白ZFEG1605（521 aa, 54.9 kDa）和ZFEG1663（428 aa, 45.6 kDa）均含信号肽，成熟蛋白不含跨膜结构域。

酶学特性表征
ZFEG1605和ZFEG1663均表现出对魔芋葡甘露聚糖（KG）和羧甲基纤维素钠（CMC）的高活性，其中ZFEG1605额外水解瓜尔胶（GG）。二者最适pH分别为5和6，呈酸性偏移；最适温度分别为50℃和40℃。热稳定性方面，ZFEG1605在50℃仍保持稳定，而ZFEG1663仅耐受至40℃。盐耐受性测试显示，两者在2.5 M NaCl中保留超过70%活性，表明其适应高盐环境。

生物质转化潜力
纯化后的ZFEG1605和ZFEG1663可水解碱预处理的稻草，释放还原糖，证实其在木质纤维素降解中的潜在应用价值。值得注意的是，ZFEG1605成为首个报道的能水解瓜尔胶的GH6家族成员，拓展了该家族酶的底物谱。

讨论与意义
GHs通过水解糖苷键参与碳循环，在工业中用于造纸、纺织及生物能源生产^[28]。本研究首次从极端环境宏基因组中发现耐盐耐温的GH6家族纤维素酶，其特性（如ZFEG1605的宽底物谱和ZFEG1663的中温稳定性）弥补了传统酶的不足。例如，现有工业酶多源于Aspergillus niger，但其在高盐环境下易失活^[9]。此外，ZFEG1605对KG的水解能力表明其适用于植物多糖的综合利用。研究结果为开发下一代生物催化剂提供了新靶点，并为高原微生物资源挖掘提供了范例。

技术方法概述
本研究采用宏基因组文库构建、功能筛选（CMC-Congo Red法）、基因克隆、异源表达（E. coli BL21(DE3)）及酶学表征（pH/温度梯度分析、盐耐受测试）等技术，系统解析了两种新型纤维素酶的特性。样本来源于青藏高原珠峰北坡未受污染的土壤，确保了酶的极端环境适应性。

综上，该研究通过创新性宏基因组策略，成功发掘出具有工业化潜力的耐盐耐温纤维素酶，为生物质能源开发及工业酶制剂设计提供了重要理论依据与实践参考。