嗜熱和嗜堿木聚糖酶研究進(jìn)展

柏文琴1,2，王欽宏2，馬延和2

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嗜熱和嗜堿木聚糖酶研究進(jìn)展

柏文琴，王欽宏，馬延和

1 山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西臨汾 041000 2 中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所中國科學(xué)院系統(tǒng)微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300308

柏文琴, 王欽宏, 馬延和. 嗜熱和嗜堿木聚糖酶研究進(jìn)展. 生物工程學(xué)報(bào), 2014, 30(6): 828?837.Bai WQ, Wang QH, Ma YH. Progress in the thermophilic and alkalophilic xylanases. Chin J Biotech, 2014, 30(6): 828?837.

木聚糖酶是降解半纖維素主要成分木聚糖的關(guān)鍵酶，廣泛應(yīng)用在食品、飼料、制漿造紙、生物脫膠等行業(yè)。特別是在造紙工業(yè)中，木聚糖酶顯示出巨大的應(yīng)用潛力，已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。紙漿漂白工藝中需要酶在高溫堿性條件下發(fā)揮作用。目前，主要通過篩選野生型木聚糖酶資源和對(duì)現(xiàn)有中性中溫木聚糖酶分子改造的方法獲得嗜熱堿木聚糖酶。文中就嗜熱嗜堿木聚糖酶的篩選、嗜熱嗜堿機(jī)制研究及分子改造進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)其前景進(jìn)行了展望。

木聚糖酶，嗜熱，嗜堿，篩選，分子改造

木聚糖是植物細(xì)胞壁半纖維素的主要成分，是自然界中第二大含量豐富的可再生生物資 源。內(nèi)切β-1,4-木聚糖酶 (β-1,4-endoxylanase, EC3.2.1.8)，簡稱木聚糖酶，能水解木聚糖主鏈的β-1,4糖苷鍵，產(chǎn)生寡聚木糖和少量木糖，是降解木聚糖的關(guān)鍵酶。由于其具有降解植物木聚糖的作用，可廣泛應(yīng)用于食品、飼料、造紙、麻類脫膠和燃料生產(chǎn)等工業(yè)領(lǐng)域。特別是在造紙工業(yè)中，木聚糖酶顯示出巨大的應(yīng)用潛力，已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。木聚糖酶在造紙工業(yè)中主要用于紙漿的助漂白，可以降低含氯漂白劑的用量，大幅度降低漂白廢液中有機(jī)污染物的量，還可以提高紙張的質(zhì)量，具有顯著的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。

造紙工藝過程中紙漿多處于高溫堿性條件下，為減少能耗和簡化工藝流程，需要木聚糖酶具備在堿性和高溫條件下的高穩(wěn)定性和高活 性。目前，國內(nèi)外一般通過兩種途徑獲得嗜熱堿木聚糖酶：一是從極端環(huán)境中發(fā)掘木聚糖酶資源 (包括產(chǎn)木聚糖酶菌株和宏基因組文庫的篩選)；二是對(duì)現(xiàn)有的中性中溫的木聚糖酶通過蛋白質(zhì)工程改造，提高其耐熱和耐堿性，以符合工業(yè)化生產(chǎn)的需要。

1 嗜熱嗜堿木聚糖酶的篩選

嗜堿木聚糖酶通常從高堿樣品 (鹽堿地、鹽堿沙漠、堿湖和造紙工業(yè)的廢水)中分離的嗜堿菌中篩選。目前，已經(jīng)從很多嗜堿菌中分離到木聚糖酶。但由于大多數(shù)為胞內(nèi)酶，不需要適應(yīng)宿主菌所處的堿性環(huán)境，因此其最適pH仍在中性范圍，但在堿性條件下可保持高的催化活性。從嗜堿菌中也分離到一些堿性木聚糖酶，如來源于芽胞桿菌sp. 41M-1的木聚糖酶XynJ的最適pH為9.0，來源于sp. AR-009木聚糖酶XylB的最適pH為9.0–10.0，以及來源于鏈霉菌sp. CS802的極端嗜堿木聚糖酶Xyn802，其最適pH高達(dá)12.0。本課題組從sp. SN5中獲得耐堿的木聚糖酶Xyn11A-LC，其最適pH為7.5–8.0，在pH 8.5–11.0條件下保溫24 h后可保留80%以上活性 (有關(guān)內(nèi)容待發(fā)表)。這些堿性木聚糖酶資源的發(fā)掘，有望用于造紙或麻類脫膠等工業(yè)領(lǐng)域。

嗜熱木聚糖酶可從各種高溫環(huán)境樣品中分離，如溫泉、火山口附近及高溫堆肥中。目前已經(jīng)分離篩選到了大量的嗜熱木聚糖酶，但是大多數(shù)酶的最適pH在中性或酸性范圍內(nèi)。到目前為止，篩選到的極端嗜熱的木聚糖酶是來源于熱袍菌sp．FjSS3-B.1的木聚糖酶，最適反應(yīng)溫度高達(dá)105 ℃，將酶固定在微孔玻璃珠后，酶的最適溫度提高到110 ℃，105 ℃時(shí)的半衰期從不到2 min提高到10 min。近幾年，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些嗜熱的木聚糖酶。Sriyapai等從嗜熱放線菌馬杜拉放線菌sp.S14中分離了木聚糖酶XynS14，其最適溫度為80 ℃，最適pH為6.0，在pH 5.0–10.0和80 ℃保持穩(wěn)定。Fawzi等從米黑根毛霉NRL 3169中分離了嗜熱木聚糖酶，其最適溫度為75 ℃，最適pH為5.0?6.5，90 ℃的半衰期為30 min。Du從特異腐質(zhì)霉Y1分離了3個(gè)10家族木聚糖酶xynA、xynB和xynC，它們的最適pH為6.0–7.0，最適溫度為70–80 ℃。來源于sp. 的10家族木聚糖酶在95 ℃和pH 7.0時(shí)具有最高催化活性，比活力達(dá)145.8 U/mg。

木聚糖酶應(yīng)用在紙漿漂白中需要同時(shí)具備嗜熱和嗜堿的特性，到目前為止，從嗜堿或嗜熱菌中分離到一些嗜熱堿的木聚糖酶 (表1)。與已經(jīng)分離到的數(shù)百個(gè)木聚糖酶資源相比，嗜熱堿木聚糖酶的數(shù)量非常有限。除了從菌株中分離到嗜熱堿的木聚糖酶外，從宏基因組文庫中也可獲得嗜熱堿木聚糖酶基因資源。Weerachavangkul等從嗜熱木質(zhì)纖維素降解微生物菌群的宏基因組中，以10家族木聚糖酶基因保守序列為引物，用基因組步行PCR (Genome walking PCR) 方法克隆到全長序列，重組木聚糖酶Xyn3F的最適反應(yīng)溫度為65–70 ℃，最適pH為9.0–10.0。在 pH 9.0時(shí)，60 ℃保溫1 h后殘余酶活性達(dá)80%以上。Verma等從堆肥土壤樣品的宏基因組文庫中，克隆了木聚糖酶基因。盡管堆肥土壤樣品的pH在酸性范圍，但是重組酶rMxyl顯示出高的嗜熱嗜堿性、高的熱穩(wěn)定性及堿穩(wěn)定性，其最適pH為9.0，最適溫度為80 ℃，在80 ℃和90 ℃時(shí)的分別為2 h和15 min。這些嗜熱堿木聚糖酶資源具有應(yīng)用于紙漿助漂的潛力。

表1 嗜熱堿木聚糖酶的酶學(xué)性質(zhì)

Numbers precedingrepresents the half-life time.

2 木聚糖酶的嗜熱機(jī)制及分子改造

用于紙漿助漂白的木聚糖酶需要在高溫和堿性條件下保持高活性和高穩(wěn)定性，但很多野生型木聚糖酶不能同時(shí)具備這些特點(diǎn)。酶的催化活性、熱穩(wěn)定性及酶促反應(yīng)的最適pH值等性質(zhì)都由酶的結(jié)構(gòu)決定。因此，可以通過蛋白質(zhì)工程對(duì)酶分子改造，改變酶學(xué)性質(zhì)，使其適合紙漿漂白的工業(yè)化應(yīng)用。

目前，通過序列比較、晶體結(jié)構(gòu)分析及突變研究，發(fā)現(xiàn)耐熱木聚糖酶和非耐熱木聚糖酶的結(jié)構(gòu)非常相似，熱穩(wěn)定性可能僅由大量的微小修飾累計(jì)造成，這些修飾包括以下幾個(gè)方面：

1) N端序列影響木聚糖酶的熱穩(wěn)定性。一般認(rèn)為，酶的變性先從N末端開始，因此，N端的穩(wěn)定直接影響酶分子的穩(wěn)定性。Zhang等用來自褐色高溫單胞菌的嗜熱木聚糖酶TfxA的N端33個(gè)氨基酸替換了來自橄欖綠鏈霉菌的中溫木聚糖酶SoxB。改造后的木聚糖酶SoxB的熱穩(wěn)定性大大提高。其中，集中在N端的5個(gè)氨基酸替代對(duì)SoxB的熱穩(wěn)定性提高起重要作用。

2) 芳香族氨基酸的疏水作用。芳香族氨基酸的疏水作用可使木聚糖酶分子之間形成二聚體或多聚體，有利于提高酶的熱穩(wěn)定性。此外，芳香族氨基酸的疏水作用，也可提高分子內(nèi)部的穩(wěn)定性，從而提高酶的熱穩(wěn)定性。Georis等將s sp. S38的中溫木聚糖酶Xyll的 11位的Thr突變?yōu)門yr (T11Y)，與第16位的Tyr (Y11-Y16) 形成芳香族氨基酸相互作用，突變體的最適反應(yīng)溫度提高了10 ℃，在57 ℃時(shí)的熱穩(wěn)定性是野生型的6倍。分析突變體的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，Y11和Y16分別位于N-末端的β鏈B1和B2上，二者之間的疏水作用增強(qiáng)了酶的氨基末端的穩(wěn)定性，從而提高了酶的熱穩(wěn)定性。楊浩萌等將來源于A1的木聚糖酶XYNB進(jìn)行定點(diǎn)突變，在β鏈B1和B2之間也引入疏水作用，突變體的熱穩(wěn)定性獲得提高，但是最適溫度未發(fā)生改變。以上突變結(jié)果表明，在酶分子的氨基末端引入芳香族氨基酸，增加N端的疏水作用，可以提高酶分子的熱穩(wěn)定性。

3) 離子鍵 (Ionic bond) 的影響。蛋白的酸性或堿性氨基酸側(cè)鏈在生理環(huán)境下帶負(fù)電荷或正電荷，當(dāng)正負(fù)基團(tuán)相互接近時(shí)，通過靜電作用力形成離子鍵。離子鍵對(duì)木聚糖酶的熱穩(wěn)定性有一定的作用。將瘤胃真菌新美鞭菌目的11家族木聚糖酶XynR8進(jìn)行定點(diǎn)突變 (I38V、D137N和G151E)。突變體的提高了8 ℃，65 ℃保溫30 min后的酶活性由無提高到65%。對(duì)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，I38V和D137N的突變增強(qiáng)了疏水作用，而G151E則與184位的Arg形成了離子鍵，從而增強(qiáng)了α-螺旋的穩(wěn)定性，提高酶的熱穩(wěn)定性。本課題組通過理性設(shè)計(jì)的方法，在來源于sp. SN5的堿性木聚糖酶Xyn11A-LC中引入3個(gè)精氨酸，以期引入3個(gè)離子鍵，結(jié)果表明突變體的最適溫度提高了5 ℃，值提高了11.6 ℃，在65 ℃ (pH 8.0)時(shí)的半衰期從22 min提高到68 min。

4) 二硫鍵的作用。通過在酶分子中引入半胱氨酸增加二硫鍵的數(shù)量，可以增加某些酶的穩(wěn)定性，且不影響酶的活性。Turunen等將里氏木霉的11家族木聚糖酶Ⅱ進(jìn)行定點(diǎn)突變 (S110C和D154C)，以使α-螺旋的110位和154位之間建立一個(gè)二硫鍵，突變體在65 ℃時(shí)的半衰期從不到1 min增加到14 min。韓承業(yè)等通過定點(diǎn)突變的方法，將的木聚糖酶XYNⅡ的N末端兩個(gè)β折疊片層間引入二硫鍵，突變體的最適反應(yīng)溫度提高了10 ℃，在70 ℃的半衰期由1 min提高到14 min。Wang等將疏棉狀嗜熱絲胞菌的11家族木聚糖酶TLX進(jìn)行定點(diǎn)突變 (Q1C和Q24C)，在N-末端引入二硫鍵。突變體的最適溫度從65 ℃提高了75 ℃，從66 ℃提高到 74 ℃。以上結(jié)果表明在11家族木聚糖酶的氨基末端或者α-螺旋中引入二硫鍵都可以提高酶的熱穩(wěn)定性。

5) 表面精氨酸含量的增加。嗜熱蛋白表面一般含有較高的精氨酸含量和較低的賴氨酸含量。其原因可能是：精氨酸的解離常數(shù)較大，對(duì)一些化學(xué)反應(yīng)的敏感性較低，比賴氨酸更適應(yīng)高溫的環(huán)境；精氨酸較大的側(cè)鏈基團(tuán)與附近的極性基團(tuán)形成氫鍵和/或離子鍵，有利于蛋白的穩(wěn)定性。因此，將Lys突變?yōu)锳rg可以提高蛋白的熱穩(wěn)定性。然而，與氨基酸的組成相比，對(duì)蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性更重要的是帶電荷氨基酸的位置以及它們之間的相互作用。Turunen等在的木聚糖酶Ⅱ表面增加了Arg，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：將 5個(gè)Arg引入到Ser/Thr表面中，提高了酶在較高溫度下的活性及底物存在時(shí)的熱穩(wěn)定性；而在酶的其他表面引入6個(gè)Arg后，酶的熱穩(wěn)定性卻沒有改變。

6) 脯氨酸和甘氨酸的突變。蛋白質(zhì)可以通過減少去折疊態(tài)的熵值來增加其穩(wěn)定性。在去折疊狀態(tài)下，甘氨酸由于沒有β碳原子，是具有最高構(gòu)象熵值的氨基酸殘基。而脯氨酸只能采取少有的幾個(gè)構(gòu)型且限制其前面氨基酸的構(gòu)型，是具有最低熵值的氨基酸殘基。因此，將甘氨酸突變?yōu)槠渌被?，或者將其他氨基酸突變成脯氨酸，通常可以減少非折疊態(tài)的熵值，從而提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。Wang等將sp. S9的木聚糖酶XynAS9進(jìn)行定點(diǎn)突變，發(fā)現(xiàn)突變體V81P的最適溫度提高了2 ℃，65 ℃時(shí)的半衰期從16 min提高到27 min，表明該位點(diǎn)的脯氨酸對(duì)酶的熱穩(wěn)定性起一定作用。

此外，對(duì)于多結(jié)構(gòu)域的木聚糖酶來說，熱穩(wěn)定區(qū) (Thermostabilising domain, TSD) 的存在對(duì)酶的熱穩(wěn)定性起重要作用。許多耐熱木聚糖酶的氨基末端存在TSD，將其刪除后，酶的活性不變，但是熱穩(wěn)定性喪失。Zhao等將耐熱梭狀芽胞桿菌木聚糖酶Xyn10B的TSD去除后，酶的最適溫度從75 ℃降低到65 ℃。Jun等將海棲熱袍菌的木聚糖酶XynA的TSD連接到木聚糖酶XynII的氨基末端，嵌合體酶的最適溫度提高了10 ℃，熱穩(wěn)定性也獲得提高，60 ℃保溫10 min后殘余酶活性由40%提高到85%。

3 木聚糖酶的嗜堿機(jī)制及分子改造

研究酶的嗜堿機(jī)制一般利用同源蛋白的結(jié)構(gòu)比較方法，即將堿性酶和同源的非堿性酶的氨基酸序列、二級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行差異性比較，將結(jié)構(gòu)上的差異和pH相關(guān)性聯(lián)系起來。此外，利用定點(diǎn)突變和隨機(jī)突變技術(shù)，對(duì)氨基酸突變后進(jìn)行pH相關(guān)活性的分析，可為酶的嗜堿機(jī)制的闡述提供一些新的思路和線索?？傊?，綜合運(yùn)用多種方法，可以更全面系統(tǒng)研究酶的嗜堿機(jī)制。

3.1 10家族木聚糖酶的嗜堿機(jī)制研究

目前，從結(jié)構(gòu)和pH相關(guān)活性的角度，通過比較堿性酶和非堿性酶的氨基酸序列組成、二級(jí)結(jié)構(gòu)元件及高級(jí)結(jié)構(gòu)差異，獲得了10家族堿性木聚糖酶嗜堿的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

在分析堿性木聚糖酶的氨基酸組成時(shí)發(fā)現(xiàn)，帶負(fù)電荷的氨基酸 (Asp和Glu) 數(shù)目增加，進(jìn)而導(dǎo)致高的負(fù)/正電荷比。堿性的10家族木聚糖酶中有3個(gè)長度大于10個(gè)氨基酸的富含酸性氨基酸的插入序列。這可能是堿性酶快速適應(yīng)堿性環(huán)境的一種策略，無需通過整個(gè)蛋白鏈上多個(gè)單位點(diǎn)調(diào)整，而是插入或者改變一小段氨基酸組成來實(shí)現(xiàn)其嗜堿的特性。

在對(duì)堿性木聚糖酶高級(jí)結(jié)構(gòu)分析中發(fā)現(xiàn)，堿性木聚糖酶的分子表面帶負(fù)電荷的氨基酸殘基數(shù)目明顯增多，而極性氨基酸 (Asn、Gln、Ser 和Thr) 的數(shù)目減少。研究發(fā)現(xiàn)，離子鍵有利于10家族木聚糖酶的嗜堿性。增加分子內(nèi)相互作用可以使酶的分子結(jié)構(gòu)更緊湊，有利于蛋白的穩(wěn)定性。但是，對(duì)于不同種類的酶，分子內(nèi)相互作用對(duì)酶的嗜堿性影響不同。

酶的催化反應(yīng)的最適pH由催化氨基酸的解離常數(shù) () 決定。在高pH時(shí)的催化反應(yīng)，需要催化氨基酸保持較高的值。這可以通過活性中心溶劑的屏蔽、帶電荷氨基酸的靜電相互作用及氫鍵網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。將sp. S7的堿性木聚糖酶的催化氨基酸附近3個(gè)位點(diǎn) (Val169、Ile170 和Asp171) 突變?yōu)榉菈A性酶中相應(yīng)位置的氨基酸 (V169A、I170F 和D171N)，突變體的最適pH從9.0–9.5下降到7.0左右。推測Val和Ile的疏水作用以及Asp的負(fù)電荷的去除降低了催化氨基酸的值，進(jìn)而降低了酶催化反應(yīng)的最適pH值。

10家族木聚糖酶嗜堿結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的研究，尤其是影響酶的嗜堿性的氨基酸位點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)，可為理性設(shè)計(jì)提高酶的嗜堿性改造提供一定的理論指導(dǎo)。

3.2 11家族木聚糖酶的嗜堿機(jī)制研究及分子改造

3.2.1 11家族木聚糖酶的嗜堿機(jī)制研究

目前為止，關(guān)于11家族木聚糖酶嗜堿機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)的研究，唯一廣泛認(rèn)可的結(jié)論是：催化氨基酸Glu (酸/堿殘基) 附近的Asn/Asp可影響催化氨基酸的，從而影響酶的最適pH。分析高分辨率的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，酸性酶中的Asp具有低的值，且與催化氨基酸Glu形成氫鍵。該氫鍵的形成更傾向于去質(zhì)子化的Glu，由此降低了催化氨基酸的值。而在堿性酶中，Asn取代Asp，破壞了該氫鍵或提高了氫鍵距離，提高了催化氨基酸的值，進(jìn)而提高了最適pH。目前，已有定點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一理論。

本課題組從進(jìn)化角度，通過比較堿性11家族木聚糖酶和非堿性酶的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合pH相關(guān)活性，初步獲得11家族木聚糖酶嗜堿的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。分析發(fā)現(xiàn)，堿性木聚糖酶可能通過增加帶電荷的氨基酸含量，降低負(fù)電荷/正電荷比值，增加疏水氨基酸亮氨酸和異亮氨酸含量，降低極性氨基酸絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸含量，實(shí)現(xiàn)在較高pH條件下的催化特性；提高離子鍵的數(shù)量有利于11家族木聚糖酶的嗜堿性；通過結(jié)構(gòu)比較、序列比對(duì)和突變實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了5個(gè)可能對(duì)11家族木聚糖酶在堿性條件下發(fā)揮活性起重要作用的位點(diǎn)。這些發(fā)現(xiàn)將對(duì)理性設(shè)計(jì)提高11家族木聚糖酶的嗜堿性改造提供一定的理論指導(dǎo)。相關(guān)工作待發(fā)表。

3.2.2 提高11家族木聚糖酶的嗜堿性的分子改造

盡管嗜堿機(jī)制復(fù)雜，不同蛋白具有不同的嗜堿機(jī)制，但其他蛋白嗜堿機(jī)制的研究可為提高11家族木聚糖酶嗜堿性的改造提供一定的思路。Shirai等研究證實(shí)提高表面Arg含量可以提高蛋白酶的嗜堿性。該結(jié)論在11家族木聚糖酶中也得到了證實(shí)。Turunen等在．木聚糖酶Ⅱ“Ser/Thr”表面引入Arg，突變體的最適pH向堿性方向偏移了0.5–1.0個(gè)單位。Hirohito等通過增加催化活性中心裂隙和“Ser/Thr”表面的Arg殘基數(shù)目，提高了sp. 41M-1的木聚糖酶XynJ的嗜堿性。Xu等通過理性設(shè)計(jì)方法提高催化氨基酸的值，在黑曲霉的木聚糖酶XynB中引入點(diǎn)突變Q178R，突變體的最適pH提高了0.5個(gè)單位。以上突變表明，催化裂隙及表面Arg可以提高木聚糖酶在堿性條件下的活性。

由于木聚糖酶嗜堿機(jī)制還不確定，提高11家族木聚糖酶的嗜堿性的分子改造主要采用定向進(jìn)化的方法。但由于嗜堿機(jī)制的復(fù)雜性，許多改造難以提高酶的嗜堿性。來自嗜熱網(wǎng)球菌Rt46B.1的木聚糖酶XynB6的最適pH為6.5，為了能更好應(yīng)用于紙漿漂白中，Gibbs等用簡并寡核苷酸基因改組(Degenerate oligonucleotide gene shuffling, DOGS)技術(shù)將XynB6和來自sp. 的堿性木聚糖酶BadX進(jìn)行基因改組，未獲得在堿性條件下的活性提高的突變體。相反，XynB6的片段替換了BadX的相應(yīng)片段后，降低了BadX在堿性條件下的活性。Stephens采用易錯(cuò)PCR方法，對(duì)嗜熱棉毛菌來源的木聚糖酶XynA進(jìn)行隨機(jī)突變，突變體G53在pH 10時(shí)保留93%的酶活性，而野生型在此條件下僅保留30%活性。

4 總結(jié)與展望

嗜熱堿木聚糖酶由于具有在高溫和堿性條件下的高穩(wěn)定性和高活性，是改造傳統(tǒng)造紙工藝，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效益及產(chǎn)品質(zhì)量的一類重要酶制劑，已成為造紙生物技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但由于成本及酶的性質(zhì)等原因，到目前為止，國內(nèi)還沒有一種同時(shí)具備嗜熱嗜堿這兩種性質(zhì)的木聚糖酶在造紙工業(yè)批量使用。

從高溫和/或高堿環(huán)境中繼續(xù)篩選性質(zhì)優(yōu)良的酶，是獲得嗜熱嗜堿木聚糖酶的有效途徑。隨著微生物培養(yǎng)方法和文庫篩選方法的進(jìn)一步發(fā)展，有望通過菌或宏基因組文庫篩選到適合造紙工業(yè)應(yīng)用的酶資源。另一方面，隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系研究的進(jìn)一步深入，人們對(duì)酶的嗜熱和嗜堿機(jī)制的認(rèn)識(shí)越來越清楚，可以采用理性設(shè)計(jì)的方法對(duì)酶分子進(jìn)行更好的改造。隨著這些工作的深入開展，有望獲得可批量應(yīng)用于造紙工業(yè)中的嗜熱堿木聚糖酶。

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(本文責(zé)編 郝麗芳)

Progress in the thermophilic and alkalophilic xylanases

Wenqin Bai, Qinhong Wang, and Yanhe Ma

1 College of Life Science, Shanxi Normal University, Linfen 041000, Shanxi, China2 CAS Key Laboratory of Systems Microbial Biotechnology, Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Tianjin 300308, China

Xylanase is the key enzyme to degrade xylan that is a major component of hemicellulose. The enzyme has potential industrial applications in the food, feed, paper and flax degumming industries. The use of xylanases becomes more and more important in the paper industry for bleaching purposes. Xylanases used in the pulp bleaching process should be stable and active at high temperature and alkaline pH. Thermophilic and alkalophilic xylanases could be obtained by screening the wild type xylanases or engineering the mesophilic and neutral enzymes. In this paper, we reviewed recent progress of screening of the thermophilic and alkalophilic xylanases, molecular mechanism of thermal and alkaline adaptation and molecular engineering. Future research prospective was also discussed.

xylanase, thermophilic, alkalophilic, screening, molecular engineering

March 21, 2014; Accepted:April 11, 2014

Key Program of the Chinese Academy of Sciences (No. KSZD-EW-Z-015).

Wenqin Bai. Tel/Fax: +86-22-24828746; E-mail: bwqp450@163.com

中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(No. KSZD-EW-Z-015)資助。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間: 2014-04-25

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13345/j.cjb.140172.html