区域化学控制的阿拉伯木聚糖在纤维素上的界面识别

《International Journal of Biological Macromolecules》：Regiochemistry controlled interfacial recognition of arabinoxylans on cellulose

　　

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  区域化学控制支配阿拉伯木聚糖-纤维素吸附。
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  阿拉伯木聚糖吸附取决于主链接触连续性。
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  亲水性纤维素有利于阿拉伯木聚糖的静电相互作用。
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  疏水性纤维素有利于连续主链堆积。
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  阿拉伯木聚糖在纤维素上保持主导性的3重螺旋构象。

引言

木质纤维素生物质，尤其是小麦麸皮——谷物加工中的丰富副产物——代表了全球农业食品和生物炼制系统中一种重要但尚未充分利用的可再生资源[1]、[2]。小麦麸皮富含非淀粉多糖，越来越多地被视为生物材料、生物燃料和功能性成分等领域增值应用的可持续原料[3]、[4]、[5]、[6]。在其成分中，阿拉伯木聚糖（AX）是主要的半纤维素，占细胞壁基质的重要组成部分，并在定义植物组织的结构和力学性能中发挥核心作用[7]、[8]。在天然植物细胞壁中，AX形成一个动态网络，桥接纤维素微纤丝并与木质素相互作用，从而调控细胞壁的多孔性、刚性和对酶降解的抵抗力[9]、[10]、[11]、[12]。除了其生物学功能外，AX已成为开发可持续材料的多功能平台，这得益于其可再生来源、化学可调性和与水性加工系统的相容性。近期研究表明，将AX界面纳入纤维素基材料或复合材料中，可显著改善其机械强度、柔韧性和环境稳定性[13]、[14]、[15]。然而，要更全面地在原子层面了解AX与纤维素之间的分子水平相互作用及其更广泛的性能特征，还需要进一步研究，以将分子组成、构象和界面行为直接联系起来。

AX由β-(1→4)连接的木糖吡喃基单元组成，这些单元在木糖环的O2和/或O3位被α-L-阿拉伯呋喃基（Ara）残基取代，从而产生多样的取代基序，编码链的柔韧性、水合和分子识别[16]、[17]、[18]、[19]。Ara取代位点的这一区分尤为重要，因为它影响主链的空间呈现并改变识别，正如AX活性酶的结构研究所证明的那样[20]、[21]。此外，近期研究表明，阿拉伯木聚糖的不同取代在禾本科植物细胞壁中具有特定的功能特性，其中更规则的基序有利于与纤维素的有序结合，而非规则或异质模式则与基质样功能一致[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。然而，在小麦麸皮中，AX的这种结构异质性构成了主要挑战，因为天然存在的组分含有混合取代基序，并与植物细胞壁的其他成分共存[19]、[27]、[28]，使得仅通过实验方法难以分离出依赖于位置对纤维素相互作用的独立贡献。因此，计算建模在此背景下尤为有价值，它允许精确控制取代位点和模式，从而能够在原子分辨率下检查AX结构中编码的结构-性能关系。

纤维素是陆地生物质中的主要承重聚合物。它由线性的β-(1→4)连接的D-葡萄糖吡喃链形成，通过广泛的分子内和分子间氢键形成高度有序的纤维素Iβ微纤丝[29]、[30]。这些Iβ纤维素微纤丝具有两亲性表面，具有晶体学上不相似的晶面，具有不同的相互作用能力。(010)和(110)晶面密集排列着可及的羟基，可以参与定向氢键结合，因此是亲水的。类似地，(100)和(200)晶面主要由非极性的C—H基团组成，羟基隐藏，因此相对疏水[31]、[32]、[33]。Hantal等人2025年的一项研究进一步揭示，木聚糖与(110)亲水和(100)疏水纤维素表面具有相似的结合亲和力，但对亲水的(1?10)表面的亲和力降低[34]。尽管在描述AX的结构多样性方面取得了重大进展，但对其在化学上不同的界面处行为的理解仍然难以捉摸。在天然植物细胞壁和木质纤维素材料加工中，AX位于极性、拓扑结构和氢键能力差异明显的域之间。禾本科植物细胞壁的模型提出，不同类型的木聚糖可能在功能或结构上专门用于与纤维素富集或基质富集域相互作用[22]、[23]。

木聚糖类多糖最显著的特征是其能够采取不同的螺旋构象，如2重和3重螺旋对称性。这些对称性与它们在植物细胞壁和材料中的功能高度相关。2重螺旋构象或对称性对应于扁平的带状构象，有利于纤维素微纤丝之间的紧密排列并最大化氢键数量，从而形成紧密的纤维素-半纤维素组装体[35]、[36]。相反，3重螺旋构象更为扭曲和灵活，通常在水溶液或无序环境中占优势，不受其他聚合物强空间位阻的限制[24]、[37]。固态核磁共振研究表明，规则取代的木聚糖在纤维素存在时采取扁平的2重螺旋构象，而后续对禾本科植物细胞壁的实验研究表明，不规则取代的阿拉伯木聚糖/葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖保持了大量的3重构象种群，特别是当与无定形纤维素结合时[26]、[38]、[39]、[40]、[41]。¹³C固态magic-angle spinning (MAS)和NMR研究，以及分子动力学（MD）模拟，证明了拟南芥茎和玉米细胞壁中同时存在2重和3重木聚糖构象[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]。值得注意的是，纤维素表面木聚糖的构象偏好对木聚糖链上化学性质、位置、模式和取代度变化的敏感性极高[11]、[24]、[35]、[36]、[39]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]、[56]、[57]、[58]。

已提出Ara取代基作为构象守门人，通过对主链二面角和水合模式施加方向性空间位阻限制来调节这一平衡，从而将分子架构与界面粘附耦合起来[24]、[34]。然而，Ara取代位置（O2或O3）变化对构象行为以及纤维素表面极性影响的直接原子层面见解仍然缺失，这代表了我们对阿拉伯木聚糖-纤维素相互作用理解中的一个关键机制性空白。

为了弥合这一空白，本研究系统探讨了Ara取代模式对AX在(110)亲水和(100)疏水纤维素表面吸附的影响，使用无约束全原子分子动力学（MD）模拟。分析了六种AX变体，它们对应于实验观察到的取代模式，在纤维素表面进行表征，以阐明Ara取代模式对构象、界面接触和相互作用稳定性的影响。通过整合结构描述符、相互作用能量学、残基水平接触分析和原子层面相互作用分析，本研究旨在确定取代度、位置和半纤维素主链上取代基的化学性质对其与纤维素表面相互作用的贡献。此外，还阐明了Ara取代模式在控制AX吸附的表面特异性行为中的影响，特别是从亲水(110)纤维素表面上的宽容性转变为疏水(100)纤维素表面上的选择性和几何依赖性。这些见解为理解阿拉伯木聚糖-纤维素识别提供了分子水平框架，并为AX取代模式如何影响植物生物质中纤维素表面上半纤维素组织生成了机制性假说。

章节摘要

建模

纤维素微纤丝由18条纤维素链组成，这些链来源于使用Cellulose-Builder [59]获得的六角形36链初级纤丝，采用Iβ多晶型[30]，聚合度DP=20。所得纤丝尺寸约为22.8 ? × 30.0 ? × 10.7 ?。模拟在128.8 ? × 128.8 ? × 128.8 ?的周期性模拟盒中进行，采用三维周期性边界条件。木聚糖变体使用CHARMM-GUI生成，DP=10 [60]、[61]，

纤维素表面阿拉伯木聚糖的结构和动力学表征

使用全局结构描述符（表2）评估了AX变体在亲水(110)和疏水(100)纤维素表面的结构稳定性和构象行为。回转角（R_g）值范围在11.1至12.6 ?之间，表明所有AX变体在两种表面上均保持可比的链结构。这一狭窄的变化范围表明，Ara取代并未显著改变木聚糖主链的整体紧凑性。在

结论

本研究证明，阿拉伯糖取代模式和区域化学，与纤维素表面化学共同支配阿拉伯木聚糖-纤维素结合，主要通过调控主链可及性、接触分布和连续性来实现，而非如对乙酰化木聚糖先前观察到的那样，对与纤维素2重表面互补的2重螺旋构象施加取向偏好。AX-天然型，含有5个Ara取代基，显示出明显的

CRediT作者贡献声明

Tripti Kundu：撰写——初稿，可视化，验证，方法学，调查研究，形式分析。Ankit Joshi：撰写——初稿，可视化，验证，形式分析，数据管理。Madhulika Gupta：撰写——审阅与编辑，监督，软件，资源，项目管理，方法学，资金获取，数据管理，概念化。

资金来源

本工作由印度科学与技術部（DST）科学与工程研究委员会（SERB）提供的SERB-POWER资助支持（参考编号SPG/2021/002224）。MG获得了该研究资助支持。

利益冲突声明

作者声明不存在竞争性经济利益。

致谢

T.K.感谢印度政府教育部（MoE）提供的PMRF奖学金（PMRF ID 1602143）。MG感谢印度政府科学与技術部（DST）科学与工程研究委员会（SERB）提供的SERB-POWER资助（参考编号SPG/2021/002224）。

Tripti Kundu|Ankit Joshi|Madhulika Gupta