作者:Maria Fernanda Ziegler，FAPESP 里氏木霉真菌RUT-C30菌株，其被工程化以产生高产酶
信用:LNBR-CNPEM 巴西能源和材料研究中心(CNPEM)的研究人员已经对一种真菌进行了基因工程改造，以产生一种混合酶，将甘蔗废料(顶部和叶子)和甘蔗渣等生物质中的碳水化合物分解成可发酵的糖，从而在工业上有效地转化为生物燃料
开发低成本的酶混合物是生产第二代乙醇的主要挑战之一
第二代生物燃料是由各种非食物生物质制成的，包括农业残留物、木屑和废食用油
该研究小组的过程为优化利用甘蔗残渣生产生物燃料铺平了道路
真菌里氏木霉是植物细胞壁降解酶的高产菌株之一，广泛应用于生物技术产业
为了提高这种酶混合物作为生物工厂的生产力，研究人员将六种基因修饰引入了RUT-C30，这是一种公开可用的真菌菌株
他们为这一过程申请了专利，并在《生物技术促进生物燃料》杂志上发表了一篇文章
“对真菌进行了合理的改造，使这些生物技术感兴趣的酶的产量最大化
使用CRISPR/Cas9基因编辑技术，我们修饰了转录因子来调节与酶相关的基因表达，删除了导致酶混合物稳定性问题的蛋白酶，并添加了真菌在自然界中缺乏的重要酶
因此，我们能够允许真菌从农业工业废料中生产大量的酶，这在巴西是一种廉价而丰富的原料
村上，中国国家环境保护研究中心生物可再生能源实验室的科学主任，告诉FAPESP
根据国家食品供应公司的数据，巴西每年加工6.33亿吨甘蔗，每年产生7000万公吨甘蔗废料(干物质)
这种废物没有被充分利用来生产燃料乙醇
村上强调，巴西用于分解生物质的几乎所有酶都是从一些外国生产商那里进口的，这些生产商将这项技术置于商业秘密保护之下
在这种情况下，进口的酶混合物可能占到生物燃料生产成本的50%
“在传统模式下，需要几十年的研究来开发竞争性的酶鸡尾酒生产平台，”他说
“此外，鸡尾酒不能仅仅通过合成生物学技术从公开的菌株中获得，因为生产者使用不同的方法来开发它们，例如适应性进化，将真菌暴露于化学试剂，并诱导基因组突变以选择最有趣的表型
然而，现在，由于CRISPR/Cas9等先进的基因编辑工具，我们在两年半的时间里，仅通过一些理性的修改，就成功地建立了一个具有竞争力的平台
" 该生物过程由美国国家环境保护研究中心的研究人员开发，每升产生80克酶，是迄今报道的最高实验支持滴度
来自低成本糖基原料的里氏木霉
这是此前科学文献中报道的真菌浓度的两倍多(每升37克)
村上说:“这项研究的一个有趣的方面是，它不局限于实验室。”
“我们在半工业化生产环境中测试了这种生物工艺，将其扩大到试点工厂，以评估其经济可行性
" 他补充说，尽管该平台是为从甘蔗残渣中生产纤维素乙醇而定制的，但它可以分解其他种类的生物质，高级糖可以用于生产其他生物可再生资源，如塑料和中间化学品
新型酶类 该工艺是由英国国家生物技术研究所进行的广泛研究的实际结果(就工业应用而言)，该研究旨在开发能够分解碳水化合物的酶
在另一项由FAPESP支持并发表在《自然化学生物学》上的研究中，研究人员发现了七种新的酶，它们主要存在于真菌和细菌中
这些新型酶属于糖苷水解酶家族
村上认为，这些酶不仅在生物燃料领域，而且在医药、食品加工和纺织等领域都有巨大的应用潜力
这些酶将通过利用自然界分解多糖(由许多单糖组成的碳水化合物)的不同方式来激发新的工业过程
这些酶分解β-葡聚糖，一些在谷物、细菌和真菌细胞壁中发现的最丰富的多糖，以及世界上大部分可用的生物量，表明这些酶在食品防腐剂和纺织品中的潜在用途
就生物燃料而言，关键特性是它们消化富含植物纤维的物质的能力
村上说:“我们开始研究自然界降解多糖的多样性，以及如何将这些知识应用到不同行业的过程中。”
“除了发现新的酶之外，这项研究的另一个重要方面是我们使用的相似性网络方法，以产生关于这个酶家族的系统而深刻的知识
这种方法使我们能够从零开始，在相对较短的时间内，获得迄今为止对β-1，3-葡聚糖活性研究最多的酶家族，以及关于特异性和作用机制的信息
" 分类酶的主要标准通常是系统发育，即
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，分子的进化史，而中国质子交换膜研究人员关注的是功能
“由于DNA测序技术的进步，我们现在有了许多已知的基因序列，并有了根据分子和酶的功能来研究和表征它们的成熟能力
因此，我们能够改进相似性网络方法，并首次将其用于研究对多糖有活性的酶，”村上说
使用相似性网络方法，该小组根据功能将酶分为七个亚家族
研究人员对每个亚家族的至少一个成员进行了表征，系统地评估了酶家族数千个成员中β-葡聚糖降解分子策略的多样性
生化之旅 系统发育分析侧重于随着时间推移而保守的脱氧核糖核酸区域，而功能分类是基于与功能分化相关的非保守区域
村上说:“这给了我们效率，使我们能够将1000多个序列分成7个具有相同功能的子组或类。”
因为这种方法是新颖的，研究人员进行了其他几项研究来反复检查和验证这种分类方法
从七组能够降解多糖的酶中，他们获得了24种全新的结构，包括各种底物-酶复合物，被认为是提供信息帮助理解相关作用机制的关键
这项研究包括功能和结构分析，以了解这些酶是如何作用于相关碳水化合物的
村上说:“多糖有数十种构型，并能形成多种化学键。”
“我们想精确观察每种酶识别哪些化学键和结构
为此，它必须是一项多学科的研究，结合使用质谱、光谱学、诱变和衍射实验来阐明原子结构的分析所支持的结构和功能数据
" 在同一期《自然化学生物学》的“新闻与观点”部分，英国约克大学生物无机化学教授保罗·沃尔顿(Paul Walton)将糖苷水解酶研究评为创新方法的“生物化学‘强力之旅’”，并称赞其“惊人的洞察力”，他补充说，研究人员“能够从每一类酶中表达和分离样本，以检查类别之间的序列差异是否反映在它们的结构和活性中”
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