大麥、高粱等谷類植物是生產(chǎn)啤酒和飼料的重要原材料。這些谷類植物的胚乳細(xì)胞壁中蘊含著豐富的β-葡聚糖。β聚葡聚糖是一種由多個葡萄糖單元串聯(lián)而成的多糖,是植物細(xì)胞壁的主要成分之一。

但在生產(chǎn)啤酒和飼料的過程中,這些大麥、高粱里的β-葡聚糖制造了一些小麻煩。比如在制作麥芽和釀造啤酒時,原料中的β-葡聚糖如果不能完全降解,就會使麥芽汁的粘度增大,降低啤酒過濾速度,并且在啤酒貯存過程中易引起沉淀。此外,大麥、高粱等作為禽畜飼料,具有較高的營養(yǎng)價值,但是其中存在的β-葡聚糖會增加動物腸道內(nèi)食糜粘度,從而影響動物內(nèi)源性消化酶與營養(yǎng)物質(zhì)的接觸,直接影響動物消化飼料的效率。

怎么辦呢?科學(xué)家請出了β-葡聚糖的降解小能手——β-葡聚糖酶。它可以專一性切斷β-葡聚糖中用來連接葡萄糖單元的β-1,3或β-1,4連鍵,從而產(chǎn)生3~5個葡萄糖單位的低聚糖及葡萄糖。

目前,工業(yè)生產(chǎn)中用到的β-葡聚糖酶通常是利用芽孢桿菌進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)得到的。這些β-葡聚糖酶的適用溫度范圍在30~60℃,最適溫度范圍50~55℃。然而,啤酒和飼料生產(chǎn)需要在高溫(70~80℃)下進(jìn)行。這可不妙,這些β-葡聚糖酶制劑怕熱啊!所以,科學(xué)家一直在尋找比現(xiàn)有酶活性更高,更能耐受苛刻環(huán)境的高效β-葡聚糖酶。

但是,不怕熱的β-葡聚糖酶會在哪兒呢?我們知道,酶通常是由微生物生產(chǎn)的,因此,那些可在高溫環(huán)境下生長的微生物也許能給予我們幫助。Caldicellulosiruptor spp.是一類可以在高達(dá)75℃的極端環(huán)境下生長的嗜熱細(xì)菌,而且,它們以β-葡聚糖作為食物,極有可能生產(chǎn)我們苦苦尋找的不怕熱的β-葡聚糖酶。

日前,中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所微生物資源團(tuán)隊李福利研究員與代謝物組學(xué)團(tuán)隊馮銀剛研究員、仿真模擬團(tuán)隊姚禮山研究員以及清華大學(xué)王新泉教授合作,從極端嗜熱微生物中發(fā)現(xiàn)了一種新型的β-葡聚糖酶。它能夠特異性降解β-葡聚糖。最重要的是,新發(fā)現(xiàn)的酶最適溫度高達(dá)80℃!而且在70℃作用1天,酶活力仍能保留一半。這些性能讓它展現(xiàn)出了極高的工業(yè)應(yīng)用價值。

要想知道新篩選的酶為什么能夠特異性降解β-葡聚糖,就要從多糖開始講起。自然界中存在豐富多樣的多糖,比如淀粉、纖維素、β-葡聚糖等等。微生物要想吃掉這些多糖,首先需要生產(chǎn)出能夠切斷這些多糖的酶。因此,為了生存,微生物就必須進(jìn)化出能夠高效利用這些多糖的酶。

本研究中,新篩選的酶既能夠切斷β-葡聚糖中的β-1,3連鍵,也能切斷β-1,4連鍵,而傳統(tǒng)的β-葡聚糖酶只能切斷β-葡聚糖中的β-1,4連鍵。那么,該酶是怎么分辨出哪個是β-葡聚糖,而哪個又是纖維素或者淀粉呢?大自然總是到處存在著神奇,新篩選的酶進(jìn)化出了一個特殊的口袋狀的凹槽,科學(xué)家也將其稱為底物結(jié)合口袋。

這個口袋與傳統(tǒng)的酶有很大的差異,新型β-葡聚糖酶的底物結(jié)合口袋有一個急劇的彎角,這正好能夠容納同樣具有彎曲構(gòu)象的β-葡聚糖底物,從而發(fā)揮最佳的降解功能。就像過山車一樣,底物β-葡聚糖是一個彎曲的軌道,新篩選的酶就正好是能夠卡在這個軌道上運行的火車。如果把新型β-葡聚糖酶比作火車,那么在該酶底物結(jié)合口袋里面的鹽鍵,就像是固定火車車輪的軸,保證酶在高溫環(huán)境中不變形。

科學(xué)家們揭示了微生物進(jìn)化過程中,酶蛋白為了利用多種多樣的植物細(xì)胞壁多糖,從而進(jìn)化出特異而精巧的活性反應(yīng)中心,完成降解利用多糖的使命。新型β-葡聚糖酶可以在工業(yè)環(huán)境中順利行走在β-葡聚糖底物上,而且,還一邊走一邊將β-葡聚糖切斷成可溶性更好的低聚糖,從而降低麥芽汁或動物腸道內(nèi)食糜的粘度。同時,這列火車的“輪軸”能夠保證該酶在70-80℃的環(huán)境中不會散架。該結(jié)果對工業(yè)生產(chǎn)中所需要的β-葡聚糖酶的篩選及改造提供了指導(dǎo),比如,也給怕熱的酶裝上“輪軸”。

該工作已在線發(fā)表于經(jīng)典的生物化學(xué)雜志 Biochemical Journal,本研究獲得了科技部973計劃、國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)杰出青年基金、山東省重點研發(fā)計劃等支持。