大麥、高粱等谷類植物是生產啤酒和飼料的重要原材料。這些谷類植物的胚乳細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而成的多糖,是植物細胞壁的主要成分之一。

但在生產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,具有較高的營養價值,但是其中存在的β-葡聚糖會增加動物腸道內食糜粘度,從而影響動物內源性消化酶與營養物質的接觸,直接影響動物消化飼料的效率。

怎么辦呢?科學家請出了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,從而產生3~5個葡萄糖單位的低聚糖及葡萄糖。

目前,工業生產中用到的β-葡聚糖酶通常是利用芽孢桿菌進行發酵生產得到的。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,啤酒和飼料生產需要在高溫(70~80℃)下進行。這可不妙,這些β-葡聚糖酶制劑怕熱啊!所以,科學家一直在尋找比現有酶活性更高,更能耐受苛刻環境的高效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的,因此,那些可在高溫環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75℃的極端環境下生長的嗜熱細菌,而且,它們以β-葡聚糖作為食物,極有可能生產我們苦苦尋找的不怕熱的β-葡聚糖酶。

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

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,首先需要生產出能夠切斷這些多糖的酶。因此,為了生存,微生物就必須進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,新篩選的酶進化出了一個特殊的口袋狀的凹槽,科學家也將其稱為底物結合口袋。

這個口袋與傳統的酶有很大的差異,新型β-葡聚糖酶的底物結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象的β-葡聚糖底物,從而發揮最佳的降解功能。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,保證酶在高溫環境中不變形。

科學家們揭示了微生物進化過程中,酶蛋白為了利用多種多樣的植物細胞壁多糖,從而進化出特異而精巧的活性反應中心,完成降解利用多糖的使命。新型β-葡聚糖酶可以在工業環境中順利行走在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℃的環境中不會散架。該結果對工業生產中所需要的β-葡聚糖酶的篩選及改造提供了指導,比如,也給怕熱的酶裝上“輪軸”。

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