Nature最新 | 宏基因组挖掘降解木质纤维素的微生物群落的“暗物质”

科学与技术 /Science Technology

纤维素是地球上最丰富的可再生聚合物，但其结晶微纤维结构以及与木质素和半纤维素的复杂相互作用使其难以降解。尽管纤维素完全由葡萄糖残基组成，但其降解在自然界中非常缓慢，涉及复杂的多组分酶系统。传统的纤维素降解模型包括内切-β-葡聚糖酶、外切-β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶。近年来，氧化酶如裂解多糖单加氧酶（LPMOs）的发现进一步扩展了我们对纤维素降解机制的理解。然而，大多数微生物在实验室条件下难以培养，导致其遗传潜力的大部分仍未被探索。

2025年2月12日，巴西国家生物可再生能源实验室（LNBR）研究团队在《自然》杂志上发表了一篇题目为“A metagenomic‘dark matter’ enzyme catalyses oxidative cellulose conversion”的文章。该研究通过挖掘专门降解木质纤维素的微生物群落的宏基因组“暗物质”，发现了一种能够氧化裂解纤维素的金属酶。这种酶通过外切机制作用于纤维素，产生纤维二糖酸作为唯一产物。该酶的发现不仅改变了我们对细菌氧化酶系统的理解，还为将农业工业废料转化为高附加值生物产品提供了新的可能性。

主要研究结果/Science Technology

本研究选取长期覆盖甘蔗渣的土壤样品作为研究对象，通过宏基因组测序和组装，获得了高质量的宏基因组组装基因组（MAGs）。通过宏基因组分析，发现了一种来自未培养细菌的新型金属酶，并命名为CelOCE(cellulose oxidative cleaving enzyme)。该酶能够氧化裂解纤维素，产生纤维二糖酸作为唯一产物。

研究人员将编码CelOCE的基因整合到Trichoderma reesei中，评估其在工业条件下的纤维素降解能力。结果显示，模拟工业条件下的纤维素糖化效率显著提高，证明了其在工业条件下的应用潜力。

本研究通过挖掘宏基因组“暗物质”，发现了一种新型的纤维素氧化裂解酶CelOCE。该酶具有独特的铜离子配位和扁平催化界面，能够通过外切机制氧化裂解纤维素，产生纤维二糖酸。CelOCE的同源二聚体结构使其能够在原位生成过氧化氢，从而增强其催化效率。该酶的发现不仅扩展了我们对纤维素降解机制的理解，还为将农业工业废料转化为高附加值生物产品提供了新的工具。CelOCE的生物技术潜力在工业条件下得到了验证，其与内切纤维素酶的协同作用显著提高了木质纤维素生物质的降解效率。这一发现为开发更高效的生物质转化技术提供了新的思路。

参考文献 /Science Technology

Santos C A, Morais M A B, Mandelli F, et al. A metagenomic ‘dark matter’enzyme catalyses oxidative cellulose conversion[J]. Nature, 2025: 1-8.