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1、 综述与专论 2014年第11期 生物技术通报 BIOTECHNOLOGY BULLETIN 近几年可持续发展技术已成为社会日益关注的 焦点 充分利用自然资源实现其经济最大化和环境 可持续发展已成为经济发展必须考虑的问题 木质 纤维素是所有陆生植物细胞壁的主要成分 也是地 球上最丰富的生物质资源 其组分主要由纤维素 半纤维素和木质素构成 其中木质素对于植物生长 和生存起着重要作用 是细胞壁强度的支持成分 保护植物细胞免受微生物攻击和各种氧化作用 1 从化学结构来看 木质素是由对羟苯基 愈创木基 和紫丁香基三者所组成的异聚物 这三种单体通过 O 4 5 5 5 4 O 5 和 1 共价键连接形
2、收稿日期 2014 03 20 作者简介 董秀芹 女 副教授 研究方向 木质素降解 E mail wlcdxq 通讯作者 袁红莉 女 博士 教授 研究方向 生物降解及生物修复 E mail hliyuan 木质素降解酶及相关基因研究进展 董秀芹1 袁红莉2 高同国3 1 北京吉利学院 北京 102202 2 中国农业大学生物学院 农业生物技术国家重点实验室 北京 100193 3 河北农业大学生命科学学院 保定 071000 摘 要 生物质的高效综合利用已成为全球关注的热点问题 生物质的主要成分是木质素 纤维素和半纤维素 其利用的 关键是如何去除木质素 从而提高纤维素和半纤维素的得率 其中利用
3、真菌的生物预处理方法因条件温和 无二次污染等优点符 合全球经济可持续发展需要 受到研究者的普遍关注 综述了近年国内外真菌分泌的主要木质素降解酶 包括木质素过氧化物酶 LiP 锰过氧化物酶 MnP 漆酶 laccase 和多功能过氧化物酶 VP 的主要特点 总结了木质素降解相关酶的基因工程 基因组学的研究成果 并对其发展前景进行了展望 关键词 木质素 生物降解 过氧化物酶 漆酶 基因组学 Progress in Studies of Ligninolytic Enzymes and Genes Dong Xiuqin1 Yuan Hongli2 Gao Tongguo3 1 Beijing Ji
4、li University Beijing 102202 2 State Key Lab for Agrobiotechnology College of Biological Sciences China Agricultural University Beijing 100193 3 College of Life Sciences Agricultural University of Hebei Baoding 071000 Abstract Efficient enzymatic conversion of renewable biomass becomes the focus of
5、intensive research currently throughout the world Lignocellulose is comprised mainly of cellulose hemicelluloses and lignin Removal of lignin from the complex lignocellulosic matrix is considered as the key process of comprehensive lignocellulose utilization which renders recalcitrant lignocellulosi
6、c biomass more accessible to the hydrolytic enzyme system Biodegradation of lignin by fungi is more environment friendly and less energy intensive compared to other pretreatment methods Its mechanism is based principally on the activity of different extracellular enzymes Here we reviewed the recent
7、progress in characteristics of fungal lignin degrading enzymes including lignin peroxidase LiP manganese peroxidase MnP laccase and versatile peroxidase VP and also their applications in genetic engineering and genomics research Key words Lignin Biodegradation Peroxidase Laccase Genomics 成了自然界中各种各样的
8、木质素 这些无规律的异 聚物不透水 也没有旋光性 所有这些特性使木质 素的降解非常困难 2 同时木质素包裹在纤维素的 外层 阻碍纤维素和半纤维素的降解 因此在工业 生产中 如在纸浆的漂白 纤维素发酵生产乙醇和 饲料的发酵过程中 皆因木质素的存在而增加了工 业生产的成本 近几十年来 对于木质素的预处理技术已经进 行了广泛的研究 主要分为非生物处理 物理方法 化学方法 物理 化学联用方法 和生物处理方法 科学家期望利用这些方法能够打断或破坏木质素网 2014年第11期63 董秀芹等 木质素降解酶及相关基因研究进展 络结构 使人类能够充分利用生物质中的纤维素和 半纤维素 非生物预处理方法虽然有许多优
9、点 但 是总体而言效益低 污染重 而且形成对于后续发 酵或酶解过程有抑制作用的副产物 不符合当代社 会发展的需要 生物预处理主要利用真菌分泌的多 种木质素降解酶降解生物质中的木质素 具有无污 染 选择性好等优点 国内外已有关于真菌漆酶性质和应用 3 锰过 氧化物酶的性质和应用 4 Trametes cervina 的木素 过氧化物酶性质 5 利用现代化生产多种酶对不同 木质纤维素原料降解作用 6 以及黄孢原毛平革菌产 酶条件 7 等的文献综述 但是木质素降解是在自然 条件下多个酶共同作用的复杂过程 因此 本文系 统总结了近年发现与木质素降解有关的酶的种类和 酶学特性 以便使研究者更全面的了解木
10、质素生物 降解过程中的多种酶的性质及该方面的研究进展 1 微生物分泌木质素降解酶 生物预处理由于本身安全和无污染 受到越来 越多人重视 到目前为止 仅有少数微生物可以降 解木质素 其中绝大部分是白腐菌 8 少数是细 菌 9 但是后者仅有较弱的木质素降解能力 由于 白腐菌能高效地选择性降解木质素 因此被认为是 去除木质素最有应用前景的一大类真菌 生物预处 理木质纤维素原料的过程非常复杂 其中各种木质 素降解酶被认为在木质纤维素的降解过程中起关键 作用 已知白腐菌分泌木质素降解有关的几类主要 过氧化物酶 木素过氧化物酶 LiP EC 1 11 1 14 锰过氧化物酶 MnP EC 1 11 1 1
11、3 这两个酶首先 在黄孢原毛平革菌中发现 多功能过氧化物酶 在 杏鲍菇中首先发现 10 漆酶 Laccase EC 1 10 3 2 和多种辅助酶 由于木质素的结构复杂 因此推测 木质素降解过程是多个酶共同作用的结果 1 1 木素过氧化物酶 木素过氧化物酶 LiP EC 1 11 1 14 是一个含 铁的糖蛋白 首先在黄孢原毛平革菌中发现 具有 独特的特点 例如 极高氧化还原电位和较低最适 pH 值 研究者证实自然界中主要是担子菌中木材降 解菌能够分泌多种 LiP 对黄孢原毛平革菌的研究 发现 其基因组中至少有 10 个不同基因编码 LiP 同 工酶 这些基因分别被命名为 lipA J 但是仍
12、有许 多问题科学家至今还没有研究清楚 如为什么这些 酶具有很高的氧化还原电位以及在不同生长条件下 产生的顺序 LiP 同工酶不是同时产生的 如 lipA lipD 和 lipE 编码的酶蛋白只有在碳饥饿的条件下才 表达 而 lipC 只有在限氮培养下才表达 最近几年 多名研究者已经对木素过氧化物酶的催化机理和应 用进行大量研究 如研究了 LiP 的分子结构特点 结合位点 翻译后修饰 基因重组 同源性分析 8 不同来源真菌 LiP 的异同点 LiP 在环境修复和纸浆 漂白工业中的应用 4 LiP 的固定化工艺 11 和非水 相催化的机理 12 等 表 1 是最近几年报道的能在液体或固体培养中 产
13、生木素过氧化物酶的 9 种真菌 从表中能看到木 腐真菌能够分泌多种 LiP 同工酶 P chrysosporium 分泌的同工酶多达 10 个 Trametes versicolor 甚至可 分泌 16 种同工酶 这些木素过氧化物酶具有共性 分子量 38 50 kD 等电点大约 pI3 0 4 0 而来自放 线菌 Streptomyces viridosporus 的 Lip 分子量只有 13 5 17 8 kD 13 这两类菌产生木素过氧化物酶分子量相 差近 3 倍 具体原因可能是菌种不同引起的 尽管有多名研究者指出 LiP 是木质素降解中重 要的酶 14 但是至今还不清楚 LiP 对于自然
14、界中木 质素的降解能力以及 LiP 对于不同底物的氧化作用 形式 目前 LiP 酶活大小是以黎芦醇作为底物进行 测定 在自然界中 LiP 降解木质素的过程是否与分 解藜芦醇具有完全相同形式尚不清楚 1 2 锰过氧化物酶 锰 过 氧 化 物 酶 MnP EC 1 11 1 13 是 P chrysosporium 和其他一些白腐真菌分泌到胞外的第 二大类过氧化物酶 研究发现许多担子菌在其生活 过程中都会分泌 MnP 表 2 列出 22 种真菌在代谢 过程中产生的 MnP 经研究证实 从其他白腐菌获 得的多种 MnP 的结构与 P chrysosporium 分离到的同 工酶非常相似 4 所有已知
15、分泌 MnP 的真菌都能分 泌多种同工酶 等电点在 pI3 7 分子量大约 38 50 kD Urz a 等 21 研究发现 Ceriporiopsis subvermispora 可以分泌多达 11 种的 MnP 同工酶 但是研究者也 发现有些真菌产生的锰过氧化物酶具有某些特殊性 生物技术通报 Biotechnology Bulletin2014年第11期64 如 Tsukihara 等 22 研究发现 Pleurotus ostreatus MnP2 能够直接氧化一些高分子量的化合物 如 Poly R 478 和核酸酶 A P chrysosporium 基因组含有 5 个 mnp 基因
16、分 别命名为 mnp1 5 18 可以合成多种同工酶 10 锰 过氧化物酶是过氧化氢依赖型的酶 在过氧化氢存 在的条件下能催化 Mn II 形成 Mn III 然后 Mn III 再氧化酚类的木质素化合物 P chrysosporium 中锰过氧化物酶的催化循环形式在所有的木腐真 菌中都相似 研究证实 MnP 的分子结构与 LiP 结 构很相似 而且通过晶体 X 射线衍射技术发现 P chrysosporium 中 MnP 底物结合位点包括多个保守氨 基酸 如 MnP1 通过 Glu35 Glu39 和 Asp179 结合 一个 Mn2 23 而且这些氨基酸残基在几乎所有真 菌的锰过氧化物酶中都是保守的 14 近年来 利用 固定化技术固定锰过氧化物酶可以去除纺织工业的 污水 24 1 3 漆酶 漆酶 benzenediol oxygen oxidoreductase EC 1 10 3 2 是一类含铜的蛋白质 能够以酚类化合物 作为氢供体还原分子氧生成水 在某些介质存在下 非酚类化合物也能够被氧化 因此这类酶逐渐被应 用到纸浆漂白工艺上 37 到目前为止 除了植物病 原菌和木腐真菌外
