来自加拿大约克大学和法国马赛第一大学的研究人员近日在一项研究成果上取得了突破。他们发现了一类新的酶类，这些酶类能够降解自然界中广泛存在的生物质如几丁质和纤维素等并产生糖类。这项研究发表在最近的一期《自然-化学生物学》杂志上。
这一酶类被称为“溶解性多糖单加氧酶”（LPMOs），能通过氧化反应在生物质的多糖链上添加氧基团使得其结构趋于松散更易断裂，为之后的进一步酶解提供基础。LPMO具有降解常见生物质并生成糖类的潜力，人们因而可能能够利用这类酶处理植物茎、木屑、废硬纸板以及昆虫/甲壳类动物壳，从这些常见的富含生物质的物品得到糖类，并进一步利用这些糖类发酵生产乙醇等生物燃料。
目前已知的LPMO分属AA9和AA10两个蛋白质家族。研究人员通过对AA9的结构加以比对，发现了一个很短的保守序列，这段序列由四个半胱氨酸和一个芳香基团构成。这一结构域被命名为“X287”，并作为搜寻新酶的依据。随后，研究人员又发现部分具有X278结构域的蛋白质中含有保守的N端结构域——这一结构域被称为AA11结构域，含有这一结构域的蛋白被归入AA11家族。在后续实验中，研究人员利用大肠杆菌系统表达米曲霉的BAE61530.1基因，该基因编码的蛋白属于AA11家族。他们对这个属于AA11家族的新酶进行了鉴定，发现该酶能够降解几丁质类生物质，而发挥作用需要铜离子的参与。
几丁质（Chitin）结构图。图片来源：维基百科
这一研究成果使得利用可持续原料生产生物乙醇成为可能。经由对该类酶家族的起源和化学反应机制进行详细研究，研究人员已经证明，人们有可能通过寻找新的生物降解方法，生产出可持续性的生物燃料。不仅如此，文章涉及的研究思路也可为同类研究提供参考，使得科研人员可以更高效的挖掘这类酶。
从AA9到X278再到AA11的蛋白质搜寻过程。通过进行蛋白质序列对比，研究人员能够根据已知的特定结构域，探索具有类似功能的蛋白质。图片来源：Glyn R Hemsworth，et al. （2013）Nature chemical biology.
目前，第一代生物燃料由自然界中“易于消化”的生物质（如玉米淀粉）为原料制成，需要消耗大量的能源作物，因此耕地被大量占用。这样不仅会限制生物燃料的产量，还有可能危及食品价格的稳定。相较而言，第二代生物燃料的原料是诸如麦秆、蔗渣、甲壳等“废物”。第二代生物燃料技术的推广一方面能够缓解日益严重的能源危机，另一方面也更有益于环境。
这项研究的负责人之一、约克大学化学系教授保罗·沃尔顿（Paul H. Walton）表示：“这一研究成果不仅会更好地解决第二代生物燃料的生产中遇到的问题，也会给目前生物乙醇的生产商提供强有力的工具，使得他们能够将废弃原料更有效地转化成生物燃料。”
参考文献：
- Glyn R. Hemsworth, et al. Discovery and characterization of a new family of lytic polysaccharide monooxygenases. Nature chemical biology. 2013. DOI: 10.1038/NCHEMBIO.1417
