嗜热细菌Thermotoga maritima中木葡聚糖降解关键糖苷水解酶的鉴定与功能解析

为解决植物细胞壁复杂多糖降解机制不明的问题，日本香川大学团队聚焦嗜热菌Thermotoga maritima，发现GH74家族内切-加工型木葡聚糖酶TmCel74可高效切割木葡聚糖主链，并与GH31 α-木糖苷酶TmAxy31、GH42 β-半乳糖苷酶TmBgalB形成协同降解网络。该研究揭示了极端环境下微生物分解木质纤维素的独特策略，为工业酶开发提供新靶点。

　　

在自然界中，植物细胞壁的复杂结构如同天然堡垒，其核心成分木葡聚糖(xyloglucan)由β-(1→4)-葡聚糖主链与密集的侧链糖基构成，这种"钢筋水泥"般的结构让许多微生物束手无策。尤其在高热环境中，传统降解酶往往失去活性，使得木质纤维素的转化效率低下。然而，一种生活在90℃海底热泉的极端嗜热菌Thermotoga maritima，却拥有破解这道难题的"分子钥匙"。

日本香川大学的研究团队在《Scientific Reports》发表的研究，首次系统揭示了这种超嗜热菌降解木葡聚糖的完整酶系机制。通过基因组挖掘，他们锁定了一个包含GH74家族TmCel74、GH29 α-L-岩藻糖苷酶、GH31 TmAxy31和GH42 TmBgalB的多酶协同系统。其中TmCel74展现出惊人的热稳定性，能在85℃下以196 μmol/min/mg的速率高效切割木葡聚糖主链，其Km值(21.1 μg/mL)显著优于此前报道的(1→3)(1→4)-β-葡聚糖底物。

研究采用异源表达纯化、高效液相色谱(HPLC)与基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)等技术，结合酶动力学分析。通过凝胶过滤色谱发现TmCel74呈现典型的内切-加工型(endoprocessive)作用模式，持续水解不脱离底物，与普通内切-解离型(endodissociative)酶相比，能更彻底地将木葡聚糖转化为XXXG、XLXG等寡糖片段。

关键发现包括：

1. TmCel74的底物特异性：该酶不仅能切割未取代的葡萄糖残基(G单元)，还能水解被木糖修饰的位点(X单元)，产生含3-4个葡萄糖单元的寡糖。
2. 协同降解机制：胞内酶TmAxy31和TmBgalB分别特异性释放寡糖侧链的木糖和半乳糖，但必须依赖TmCel74的初始切割——二者对完整多糖无活性，凸显了"胞外分解-胞内修饰"的分级策略。
3. 结构基础：序列比对发现TmCel74在+3亚位点保留关键色氨酸残基，这可能是其加工型活性的分子基础；而缺乏PA14结构域的TmAxy31仍能高效水解大分子寡糖XXXG，暗示新的底物识别机制。

该研究不仅阐明了极端环境下微生物的碳源利用策略，其发现的耐热酶系更具工业应用潜力。木葡聚糖作为食品增稠剂和益生元前体，传统水解工艺能耗高、效率低。TmCel74在70℃仍保持稳定，配合模块化设计的侧链修剪酶，可构建高效节能的生物转化系统。此外，研究揭示的基因簇排布规律（如ABC转运蛋白TM_0309与降解酶的基因共定位）为解析微生物多糖利用位点(PUL)提供了新范式。

这项研究突破了极端酶学的认知边界，未来通过晶体结构解析和蛋白质工程，或将诞生新一代耐热多糖降解工具，在生物能源、食品加工等领域发挥重要作用。