文章背景簡介

植物木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是可持續(xù)發(fā)展的重要原料，可以應(yīng)用于生產(chǎn)動物飼料、生物能源等多種工業(yè)產(chǎn)品。其中農(nóng)業(yè)殘留物以及能源作物是最有希望的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)來源之一。然而目前所面臨的主要的挑戰(zhàn)在于植物細(xì)胞壁與生俱來的剛性和緊湊結(jié)構(gòu)對生物降解具有極大的阻礙，這是有效利用許多農(nóng)業(yè)廢物的一個主要障礙。每年都有大量沒有被家畜消化的農(nóng)業(yè)殘留物只能被通過焚燒或銷毀處理。而木聚糖酶作為一種水解酶，可以隨機分裂復(fù)雜植物細(xì)胞壁多糖木聚糖，通過酶預(yù)處理破壞植物細(xì)胞壁，可釋放木質(zhì)素和半纖維素成分、促進消化降解過程。為了滿足行業(yè)需求，理想的木聚糖酶應(yīng)具有較高的比活性、良好的PH值和熱穩(wěn)定性。由于駱駝的飲食結(jié)構(gòu)主要由木質(zhì)灌木和樹木生物群落、各種鹽生植物和芳香植物物種組成，因此駱駝瘤胃微生物群落應(yīng)具有降解這些富含木質(zhì)纖維素和抗?fàn)I養(yǎng)因子難降解物質(zhì)的能力，從而被視為新型高效木聚糖酶的重要潛在來源。

2019年，伊朗農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所的Shohreh Ariaeenejad等人，在《Bioresource Technology》雜志（IF2017＝5．807；生物工程與應(yīng)用微生物2區(qū)）發(fā)表了題為“Mining of camel rumen metagenome to identify novel alkali－thermostable xylanase capable of enhancing the recalcitrant lignocellulosic biomass conversion”的文章。

所用到的主要方法

1．五階段計算篩選法：在尋找合適的侯選酶時，往往只通過生物方法是很難找尋到的。因此執(zhí)行了五個互補計算階段，來快速找尋侯選酶。主要步驟為階段一：將從元基因組中提取的酶列表與我們選定包含實驗驗證的酶列表進行比對；階段二：研究候選序列在已知序列中的系統(tǒng)發(fā)育為止，剔除遠(yuǎn)親；階段三對前一階段剩余酶進行三級結(jié)構(gòu)預(yù)測；階段四：研究前一階段剩余序列所選酶的三級結(jié)構(gòu)；階段五：使用Expasy PROSITE軟件對剩余候選序列進行活性位點分析。除PROSITE軟件外，主要涉及的軟件有應(yīng)用FASTQC對原始數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢驗和驗證。使用meta－velvet assembler從原始測序片段構(gòu)建contigs，以及使用MetaGeneMark軟件預(yù)測木聚糖酶基因。

2．PCR

3．SDS－PAGE

4．Bradford法測定蛋白濃度

5．DNS法測酶活

6．TLC薄層色譜法

7．AFM（原子力顯微鏡）分析：其原理為當(dāng)原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用力將迅速上升；因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息。AFM可以在大氣和液體環(huán)境下對各種材料和樣品進行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進行探測，或者直接進行納米操縱；現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關(guān)學(xué)科的研究實驗等領(lǐng)域中，成為納米科學(xué)研究的基本工具。在觀測酶活生理過程中AFM是有力工具，同時還為酶活測定開辟了新思路，是傳統(tǒng)酶活測定方法的有力補充。

文章主要內(nèi)容摘要

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)所產(chǎn)生的廢棄物中含有豐富的木聚糖和木素。除了不利的環(huán)境后果外，也將造成寶貴資源的浪費。為了防止這些頑固不化的廢棄物造成生態(tài)失衡，并將其回收再利用，探索高效降解酶是一項嚴(yán)峻的生態(tài)和經(jīng)濟需求。特別是能在極端溫度和pH條件下發(fā)揮活性的木聚糖酶備受人們的關(guān)注，其中耐熱耐堿性木聚糖酶將有助于降低冷卻成本、提高反應(yīng)速度、延長酶的半衰期、降低微生物污染和噬菌體感染的可能性，從而提高木質(zhì)纖維素基質(zhì)的溶解度和工業(yè)過程的催化效率，提高揮發(fā)性產(chǎn)品的回收率。這類木聚糖酶是回收大量木聚糖和殘留的半纖維素廢物的關(guān)鍵因素。與其他研究環(huán)境相比，駱駝瘤胃微生物環(huán)境的一個顯著特征是瘤胃中纖維細(xì)菌種類相對豐富，它們的豐富可能與駱駝的高木質(zhì)纖維素飲食有關(guān)。這些獨特的特性使駱駝瘤胃成為開發(fā)這種新型酶的合適候選。而由于駱駝瘤胃微生物群中蘊含的酶資源十分豐富，僅通過常規(guī)實驗方法就想要找到具有理想性質(zhì)的酶無異于大海撈針。該研究通過計算篩選鑒定了一種堿性耐熱木聚糖酶。除了基因預(yù)測和注釋步驟外，考慮blast結(jié)果、系統(tǒng)發(fā)育位置、預(yù)測的三級結(jié)構(gòu)、氨基酸組成，并對其活性位點進行分析，提出了一個五階段的步驟。經(jīng)鑒定、克隆純化、生物物理實驗，最終證實該酶具有較強的堿熱穩(wěn)定性，并成功地應(yīng)用于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的生物漂白和糖化。

木聚糖雙芽孢桿菌糖苷水解酶AxMan113A的結(jié)構(gòu)解析