木質(zhì)纖維素是地球上最為豐富的可再生資源，能將木質(zhì)纖維素降解為葡萄糖的木質(zhì)纖維素酶是一個復合酶系，其中的組分在養(yǎng)殖、食品、釀酒、紡織、洗滌、能源和造紙等工業(yè)中也具有廣泛的應用價值。利用基因工程手段對纖維素酶分子進行改造實現(xiàn)定向進化，開發(fā)熱穩(wěn)定和活力提高的纖維素酶，對水解木質(zhì)纖維素底物具有潛在的巨大優(yōu)勢。耐熱性酶較高的比活可以降低所需的酶量，其高穩(wěn)定性也使水解時間得以延長從而提高酶的性能。此外，增強的熱穩(wěn)定性也使得酶可以在高溫生產(chǎn)體系中應用，同時高溫環(huán)境還可以降低其它微生物污染的風險。這一切都會大大增加整體的經(jīng)濟效益，在工業(yè)化生產(chǎn)中具有實際意義。
中國科學院成都生物研究所吳中柳研究員課題組通過基因家族改組、隨機突變和理性設計綜合運用等手段，研究了酶蛋白結(jié)構(gòu)功能關(guān)系，獲得了多種耐熱性或活力大幅度提高的人工酶。采用易錯PCR、基因家族改組以及半理性設計等方法，研究人員把嗜熱脂肪土芽孢桿菌內(nèi)切木聚糖酶XT6在75°C熱失活半衰期提高了52倍，并將其最適反應溫度從77°C提高到了87°C，同時催化效率(kcat/Km)也提高了90%；根據(jù)已知的晶體結(jié)構(gòu)，采用計算機預測軟件PoPMuSiC對其進行理性設計和預測，通過定點突變的方法把黑曲霉阿魏酸酯酶FaeA在50°C熱失活半衰期從8分鐘提高到77分鐘，催化轉(zhuǎn)化數(shù)提高10倍，單位體積培養(yǎng)液中的酶活力提高30倍以上；利用家族改組、定點突變和飽和突變的方法，把嗜熱放線菌b-葡萄糖苷酶BglC在61°C熱失活半衰期提高了144倍；采用飽和突變和理性設計的方法，把熱纖梭菌內(nèi)切葡聚糖酶CelA在86°C熱失活半衰期提高了10倍且最適反應溫度也提高了10°C。
這些研究工作有利于降低木質(zhì)纖維素降解的生產(chǎn)成本，進一步推動耐熱型木質(zhì)纖維素酶的工業(yè)化應用。該系列成果發(fā)表在BioresourceTechnology(2010)上。