纤维小体研究进展

郝 敏，李 慧，黄恒猛，刘占英，黄惠娟，李永丽，张永锋

（1.内蒙古工业大学化工学院，内蒙古 呼和浩特010051；2.内蒙古工业大学 煤炭转化与循环经济研究所，内蒙古 呼和浩特010051）

木质纤维素（lignocellulose）普遍存在于自然界中，主要由纤维素、半纤维素及木质素构成，这些物质均是植物细胞壁的重要组成成分。纤维素是目前发现的数量最多的可再生资源，利用价值高，但只有少部分纤维素被人类所开发利用，大多数成为废弃物［1］。纤维素由D－吡喃型葡萄糖基（失水葡萄糖）组成，极难溶于水，极难降解，但纤维素降解菌可高效降解纤维素，使纤维素转化成化工产品和燃料，从而实现环境及生态的绿色可持续发展［2］。

纤维素降解菌是具有降解天然纤维素能力的细菌、真菌及放线菌的统称。近年来，研究者对厌氧纤维素降解菌的关注增多。厌氧纤维素降解菌在自然界中广泛存在，主要包括厌氧真菌和厌氧细菌，仅厌氧纤维素降解细菌就达12属之多［3］。这些厌氧菌通过产纤维素酶进一步组装成纤维小体（cellulosome）去降解纤维素。纤维小体是通过细胞粘附蛋白附着在厌氧生物表面的一种大的、多酶系的蛋白质［4］，能高效彻底地降解自然界中2个最丰富的聚合物材料——纤维素与半纤维素［5］。研究发现，纤维小体可大幅提高纤维素的降解率（高出单纯纤维素酶降解纤维素几倍），使得纤维素的利用率显著提高。但不同纤维素降解菌所产生的纤维小体差异较大，主要是因自身组装方式不同而导致其结构的差别［6］。

纤维小体通常存在于细胞表面，利用纤维素结合单位与纤维素表面充分接触而起到降解作用，纤维小体的存在有利于纤维素酶发挥降解作用：（1）有利于各单位之间的协调与联合作用；（2）防止单个效率低下的酶吸附纤维素；（3）防止因吸收部位相同使不同酶之间产生竞争；（4）使纤维素酶对纤维素有持续降解作用［7］。

纤维小体的存在也使纤维素降解菌自身具有以下优势：（1）可以更加直接并特异性地与底物纤维素接触，比其它菌更具竞争力；（2）可使细胞与纤维素充分接触，及时地吸收纤维素进行降解，有效阻止其扩散到周围环境中［8］。

1 不同纤维小体的组装模式

纤维小体主要由含多种类型粘连模块的非催化亚基脚手架蛋白和含多种类型对接模块的催化亚基酶蛋白两部分组装而成［9－11］，其中Ⅰ型粘连模块与Ⅰ型对接模块之间发生高亲和力的蛋白质－蛋白质相互作用，从而使多种酶蛋白与支架蛋白特异性地结合起来，非催化亚基的脚手架蛋白上还包括1个X模块和1个纤维素结合模块（CBM）或碳氮水合物结合模块（CBM）［12］，脚手架蛋白含有的CBM3a域用于特异性地结合具体的结晶纤维素［13］。但不同厌氧微生物产生的纤维小体的结构组成与组装模式具有明显的多样性。

1.1 组装模式的多样性

厌氧降解微生物的纤维小体组装模式的多样性主要表现在脚手架蛋白的数量、组成及结构的多样性。

1.1.1 嗜纤维梭菌

嗜纤维梭菌（Clostridium cellulovorans）的纤维小体依附于细胞表面，其分子量约为1×106Da，由至少10个亚单位构成。其中仅有的1个脚手架蛋白CbpA是其最重要的亚单位［14］，分子量为189kDa。脚手架蛋白含有多个功能域，但是不具有催化活性。嗜纤维梭菌纤维小体的结构见图1［15］。

图1 嗜纤维梭菌纤维小体的结构Fig.1 The structure of cellulosome of Clostridiumcellulovorans

1.1.2 溶纤维素拟杆菌

溶纤维素拟杆菌（Bacteroides cellulosolvens）的纤维小体是由2个脚手架蛋白和酶蛋白构成的。其脚手架蛋白由含11个粘连模块（粘合蛋白）的Ⅱ型初级脚手架蛋白ScaA和含10个粘连模块（粘合蛋白）的Ⅰ型锚定脚手架蛋白ScaB组成［16］，这与常规的初级脚手架蛋白是Ⅰ型而锚定脚手架蛋白是Ⅱ型不同。溶纤维素拟杆菌纤维小体的结构见图2［17］。

1.1.3 热纤梭菌

热纤梭菌（Clostridium thermocellum）的纤维小体也由2个脚手架蛋白和酶蛋白构成。其脚手架蛋白由常规的Ⅰ型初级脚手架蛋白和Ⅱ型锚定脚手架蛋白组成［18］。热纤梭菌纤维小体的结构见图3［19］。

1.1.4 黄色瘤胃球菌17

黄色瘤胃球菌17（Ruminococcus flavefacien 17）的纤维小体结构较为复杂，包含4个具有粘连模块的脚手架蛋白ScaA、ScaB、ScaC和ScaE。其中ScaA和ScaB的粘连模块为Ⅲ型［16］，ScaC的粘连模块与其它脚手架蛋白的粘连模块的类型不同。黄色瘤胃球菌17纤维小体的结构见图4［20］。

图2 溶纤维素拟杆菌纤维小体的结构Fig.2 The structure of cellulosome of Bacteroidescellulosolvens

图3 热纤梭菌纤维小体的结构Fig.3 The structure of cellulosome of Clostridiumthermocellum

1.2 粘连模块的多样性

脚手架蛋白又称支架蛋白（cellulose integrated protein A，CipA），由粘连模块与纤维素结合域CBM构成。研究表明，某些厌氧纤维素降解菌的粘连模块间由不同长度的linker连接，有的嵌有亲水性结构域。不同厌氧纤维素降解菌脚手架蛋白上粘连模块的数量、序列及类型（Ⅰ型、Ⅱ型）都不一样，其与纤维素结合域CBM连接时的排列顺序以及CBM类型也有差别［21］。但每个纤维小体的脚手架蛋白都是由信号序列起始的，这一点所有厌氧降解微生物都相同。

1.2.1 嗜纤维梭菌

嗜纤维梭菌的脚手架蛋白共包含9个粘合蛋白（coh）［11］。其与CBM的连接形式是CBM3后接9个coh，粘连模块中有亲水域嵌入［15，22］，如图5所示。

图4 黄色瘤胃球菌17纤维小体的结构Fig.4 The structure of cellulosome of Ruminococcusflavefacien17

图5 嗜纤维梭菌的粘连模块Fig.5 The adhesion modules of Clostridium cellulovorans

1.2.2 溶纤维素拟杆菌

溶纤维素拟杆菌的脚手架蛋白共包含10个coh、1个CBM、1个未知功能的X结构模块和表层同源（SLH）结构域模块，其与CBM的连接形式是5个coh后接CBM3，再接5个coh，其中粘连模块1、2、3和4连接比较紧密［23］，如图6所示。

图6 溶纤维素拟杆菌的粘连模块Fig.6 The adhesion modules of Bacteroides cellulosolvens

1.2.3 热纤梭菌

热纤梭菌是革兰氏阳性菌［9］，其脚手架蛋白共包含9个coh，其初级脚手架蛋白的coh是Ⅰ型，而锚定脚手架蛋白的coh是Ⅱ型［24］。其与CBM的连接形式是2个coh后接CBM3，再接7个coh，如图7所示。

1.2.4 黄色瘤胃球菌17

图7 热纤梭菌的粘连模块Fig.7 The adhesion modules of Clostridium thermocellum

黄色瘤胃球菌17的ScaB共包含7个coh，且其仅由其粘合蛋白构成，粘连模块间由linker连接，如图8所示［18］。

图8 黄色瘤胃球菌17的粘连模块Fig.8 The adhesion modules of Ruminococcus flavefacien 17

2 人工构建纤维小体

人工构建纤维小体使得纤维素可以更大程度地被降解利用，其价值得到进一步提升。人工纤维小体概念由Bayer等首次提出，纤维小体的人工构建就是利用基因重组技术设计半纤维素酶的复合体或纤维素酶，进而高效降解木质纤维素［25］。

人工纤维小体的基本理论即是先将所需的纤维素酶类与纤维小体的锚定蛋白相融合，之后将这个融合体通过与粘合蛋白的相互作用组装在人工构建的支架蛋白上，从而形成一个完整的纤维小体［24］。目前，已经成功构建出了名为Rosettazyme的合成纤维小体［26］。人工纤维小体的构建使得纤维小体的研究迈向一个更高的台阶，从而进一步提高纤维素的降解率、降低成本，对纤维素的工业化利用十分有利，使得绿色可持续发展能源有望尽快深入生活。

3 结语

由于植物细胞壁中的纤维素类成分可被纤维小体高效降解，故纤维小体在纤维素类物质发酵生产可再生能源的过程中起着极为重要的作用，也为可再生能源的寻找提供了新的途径。因此，纤维小体的研究有着重要的实践意义和应用前景。理解纤维小体结构的普遍性和这种超分子结构的作用方式是降解纤维素和利用纤维素资源的关键。未来研究者应继续深入了解来源不同的纤维小体在组成上的同源性和多样性、纤维小体中蛋白质间的相互作用及纤维小体组织结构的形态等，从而为工程改造纤维小体和利用纤维素资源提供更多的理论基础。

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