植物细胞壁纳米结构与酶降解性间存在着怎样的关联HowDoes

植物细胞壁纳米结构与酶降解性间存在着怎样的关联？

How Does Plant Cell Wall Nanoscale Architecture Correlate with Enzymatic Digestibility?

Shi-You Ding,1*† Yu-San Liu,1* Yining Zeng,1 Michael E. Himmel,1 John O. Baker,1 Edward A. Bayer2

深入解析化学降解和酶解植物细胞壁的机制是实现高效益的工业转化纤维素生物质成生物燃油的关键所在。我们在这里报道应用实时成像技术研究预处理效果与相应的纳米级细胞壁结构变化间的关联关系，基于预处理后两个商业化纤维素酶系统的降解效果来评估预处理的效果。我们证实小而简单的真菌纤维素酶解构细胞壁的作用机制与庞大的多酶复合物(纤维素酶体)的显著不同。而且，高分辨率测量细胞壁的微纤丝结构表明预处理主要是通过促进酶与纤维素巯水面的接触增强降解作用。研究结果认为，理想的预处理应该最大化去除木质素且最小化改变多糖,从而保留原来的原生微纤丝结构。

正在开发的现代生物精炼技术使用可持续技术以植物生物质为原料生产运输燃料，这样的技术还可以减少温室气体排放而有益于环境(1)。该行业面临的主要挑战是预处理成本高和将植物细胞壁多糖转化为糖类的酶法水解效率低。改进这些过程取决于更加深入理解生物质结构和化学（特性）,以及深化对生物质降解的分子机制的认识(2)。

尽管人们重燃起对生物质降解的兴趣，但植物细胞壁的哪些特性影响微生物和纤维素酶的降解性，至今仍无定论。通常以基于纯化的或高度改性结晶的或无定形的纤维素以及可溶性底物的测定试验鉴定纤维素酶的活性(3)。然而，植物细胞壁实质上是复杂的纳米复合材料，包含由纤维素微纤丝和复杂的“基质”聚合物构成的网络。生物质糖化的整体性能可能取决于许多互补增效作用的酶，包括多种纤维素酶，半纤维素酶和辅助酶(4)。这使得很难在一次研究中仅考虑其中一个因素。在分析这些复杂的生物质混合物时，传统的解决方案受到经典总体平均限制。因而，收集的数据结果有时是无定论的，部分还互相矛盾。为了克服这些问题，我们实时观察这些酶系统在可控的条件下对去木质素处理和未处理的植物细胞壁的作用过程，采用了多种显微镜观察技术,包括明场光学显微术、激光扫描共聚焦显微术(CLSM),双色受激喇曼散射(SRS)显微术和原子力显微术(AFM)。定制的显微镜允许在近生理条件下对同一的生物样品分别在组织、细胞、分子水平上高分辨率地对化学成分(5、6)和空间结构(7、8)进行关联成像。我们检查了两个已商业应用的天然存在的酶系统对木质生物质的糖化作用：(i)代表细菌多酶纤维素酶体的厌氧梭状芽胞杆菌的分泌蛋白(9)，

(ii)代表真菌或“自由”纤维素酶的商业化的来源于真菌木霉属的混合酶制剂(CellicCTec2，诺维信，Bagsvard，丹麦)(10)。我们使用绿色荧光蛋白(GFP)标记的碳水化合物结合元件（CBMs）来识别暴露的纤维素表面，使用绿色（荧光）染料(Alexa Fluor 488，英骏，卡尔斯巴德，加州)标记的酶来检查细胞壁对纤维素酶的可接触性。（已有研究表明，）来自瑞氏木霉纤维二糖水解酶I的TrCBM1(CBH I或Cel7A)(11)和来自嗜热纤维素酶体支架蛋白(CipA)(12)的CtCBM3特异识别结晶纤维素的表平面(8、13、14)，并在水解结晶纤维素中起着至关重要的作用(15、16)。

以自然衰老干燥的玉米(Zea mays L.)秸秆节间部分作为植物细胞壁物质的代表开展研究工作。未经处理的玉米秸杆的横向切片视图呈现典型的单子叶植物的组织结构：薄壁细胞包围着分散的维管束(VBs)(fig. S1, A和B)。在这种组织结构中，成熟的植物细胞壁通常被划分为三种类型：(1)薄(约100 nm)且可扩张的初生壁(PWs)，但既没伸长过也无木质化。(2)薄壁细胞次生壁(pSWs)主要出现在维管束间的大量薄壁组织中,它们是伸长过或扩充过的，并且在次生加厚的细胞壁中具有部分木质化(约1到2毫米)。(3)厚壁细胞次生壁(sSWs)是伸长过的且在大量加厚的次生壁中具有完全木质化(约5到10毫米)。厚壁细胞类型次生壁的最内侧通常覆盖有瘤层，主要由浓缩的类木质素多酚形成(17)。需要注意的是在本研究中使用的材料都是来自枯死的植物，而来自活体植物的细胞壁可能具有更复杂多样的结构。

我们采用双色SRS显微术，其中1600 cm−1处的拉曼信号(芳环呼吸模式)主要代表木质素，而2900 cm−1

处信号(碳-氢键伸展)主要代表多糖(18)。实验发现，厚壁细胞次生壁中木质素和多糖含量高于薄壁细胞次生壁的(fig. S1, C-E)，而次生壁中多糖含量普遍高于初生壁的。这些观察结果与常规植物解剖学结果相一致。陆生植物具有由许多高度分支的苯丙素酚类聚合物形成的木质素，通常被认为是细胞壁酶解糖化过程最主要的限制因素之一(19)。对于木质素是否物理阻隔或非特异性吸附酶蛋白影响酶降解效率仍无定论。为解决这个问题，我们利用亚氯酸盐处理方法制备去木质素的细胞壁。该去木质素方法已经在综纤维素生产中广泛应用(20)。亚氯酸盐在低温下氧化细胞壁中的酚类化合物(主要是木质素)，并不改变纤维素而且对相交联的半纤维素影响最小(5、21)。

正如我们所预期的那样，该实验结果证实了未经处理的细胞壁与CBMs和酶结合的程度与它们的木质素含量成高度负相关。所有CBMs和酶都强烈地结合不含木质素的初生壁，而很弱地结合薄壁细胞次生壁。对厚壁细胞高度木质化的”疣层”的结合则可以忽略不计，表明在这里对原生木质素的原位观察中没有发现之前报道的提纯木质素非特异性吸附酶的现象。去除木质素处理增强了所有探针对木质化细胞壁的全面结合(例如薄壁细胞次生壁和厚壁细胞次生壁）(ig 1)，增强程度依次为：真菌纤维素酶(增强最大)，纤维素酶体，TrCBM1，最后CtCBM3(增强最少)。薄壁细胞次生壁和厚壁细胞次生壁对酶的可接触性的增强程度显著强于对CBMs的，这通常可归因于去除阻隔的木质素后增加了酶对半纤维素的可接触性。对去木质素化的薄壁细胞次生壁进行激光共聚焦显微观察成像显示，纤维素酶体主要贴附在细胞壁表面、角落和胞间连丝处