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摘要：由日美两国研究人员组成的联合研究小组近期宣布，阐明了溶解和降解纤维素表面的酶的功能。研究小组使用高速原子力显微镜观察了在纤维素表面工作的Cel7D分子。结果发现，当AA9D一起工作时，在纤维素表面移动的酶分子数量增加。

关键词：纤维素、溶解&降解、酶、生物制品、东京大学

由日美两国研究人员组成的联合研究小组近期宣布，阐明了溶解和降解纤维素表面的酶的功能。

東京大学は2022年12月24日、同大学大学院農学生命科学研究科や名古屋大学、静岡大学、ミシガン州立大学、米国エネルギー省再生可能エネルギー研究室からなる共同研究チームが、セルロースの表面を溶かして分解する酵素の機能を解明したと発表した。

纤维素是地球上最丰富的生物质，如果能够对其进行高效降解，则可以从获得的葡萄糖中生产出生物燃料、生物质塑料等多种化合物。

セルロースは地球上で最も豊富に存在するバイオマスであり、効率良く分解することができれば、得られたグルコースからバイオ燃料やバイオマスプラスチックといったさまざまな化合物を作製することが可能となる。

纤维素虽然很难水解，但自然界中存在着利用纤维素降解酶（纤维素酶）降解和消化纤维素作为营养来源的蘑菇、霉菌和细菌等生物。另一方面，这些酶对纤维素的降解机理尚未阐明。

セルロースは加水分解が難しいものの、自然界にはセルロース分解酵素（セルラーゼ）を用いてセルロースを分解し、消化して栄養源としているきのこやカビ、バクテリアなどの生物が存在する。一方で、そのような酵素によるセルロースの分解メカニズムは未だ解明されていなかった。

研究小组一直在研究在纤维素种类中降解能力特别低的结晶纤维素的酶促降解。

東京大学大学院農学生命科学研究科の研究チームは、セルロースの中でも特に分解性が低い結晶性セルロースの酵素による分解を長期にわたり研究している。

在关于由菌种“黄孢原毛平革菌”产生的一种溶解性多糖单加氧酶（LPMO）的AA9D如何影响其他纤维素降解酶（如Cel6A和Cel7D等）对结晶纤维素的降解的实验过程中，该研究小组发现AA9D可以提高其他酶的活性，而且几乎没有产生产物，即氧化寡糖。

きのこの一種である「Phanerochaete chrysosporium」が生成する溶解性多糖モノオキシゲナーゼ（LPMO）のAA9Dが、その他のCel6A、Cel7Dといったセルロース分解酵素による結晶性セルロースの分解にどのような影響を与えるのかに関する実験を進めていた過程で、AA9Dが自身の生成物である酸化されたオリゴ糖をほとんど出さずに、他の酵素の活性を高めることを発見した。

因此，联合研究中，研究小组使用高速原子力显微镜观察了在纤维素表面工作的Cel7D分子。结果发现，当AA9D一起工作时，在纤维素表面移动的酶分子数量增加。

そこで、名古屋大学の研究チームとの共同研究で、高速原子間力顕微鏡を用いてセルロース表面で働くCel7D分子を観察したところ、AA9Dが一緒に働いている時にセルロース表面を動く酵素分子の数が増加することが判明した。

通过高速原子力显微镜观察到的纤维素酶分子

a:加入酶之前的结晶纤维素，b：酶分子的时间变化，c：只有Cel7D反应时纤维素表面的情况，d：Cel7D和AA9D一起反应的情况

此外，通过联合研究，该研究小组利用超级计算机对AA9D氧化的纤维素表面如何变化进行了分子动力学模拟。

さらに、米国エネルギー省再生可能エネルギー研究室の研究チームとの共同研究により、AA9Dによって酸化されたセルロース表面がどのように変化するのかをスーパーコンピュータを用いて分子動力学シミュレーションした。

研究发现，不仅氧化的纤维素分子漂浮在AA9D氧化的纤维素表面上，而且与周围纤维素分子的氢键被切断，导致水分子流入并溶解（非晶化）。

AA9Dによって酸化されたセルロースの表面において、酸化されたセルロース分子が浮いてくるのみならず、周りのセルロース分子との水素結合が切断され、そこに水分子が流入して溶解する（非晶化する）ことも判明した。

被AA9D切断的末端为内酯的位点周围，水分子的分子动力学模拟结果

上图：结晶纤维素的表面（对照）；下图：被AA9D切断后的晶体表面，被虚线包围的是流入纤维素分子下面的水分子

综上所述，可以推测出一旦LPMO氧化裂解纤维素，周围的氢键网络会被扰乱，未氧化的纤维素也会发生水合和非晶化，从而导致其他纤维素降解酶也可以很容易地降解非晶化的纤维素分子。当这些酶发生反应时，周围的纤维素会进一步发生水合和非晶化，通过这一连锁反应，引起了“oxidative boost（氧化加速。一种氧化反应加速纤维素降解的理论）”。

以上により、LPMOが一度セルロースを酸化的に開裂すると、その周辺の水素結合ネットワークが乱れ、酸化されていないセルロースも水和して非晶化し、結果として他のセルロース分解酵素も非晶化されたセルロース分子を容易に分解可能となり、それらの酵素が反応するとさらにその周辺のセルロースが水和して非晶化されるという連鎖的な反応により、「oxidative boost（酸化的加速。酸化反応がセルロース分解を速めるとする学説）」が起こっていると推察された。

从分子中间切断非晶化纤维素的机理与1972年提出的“內型-外型理论”中的机理相同。此外，由水合连锁的纤维素降解与1950年Reese等人提出的“C1-Cx假说”具有相同的机理。

非晶化したセルロースを分子の途中から切断する機構は、1972年に提唱された「endo-exo説」での仕組みと同一だった。また、水和から連鎖するセルロース分解は、Reeseらが1950年に提唱した「C₁-C_x説」と同じ仕組みとなっている。

C1-Cx假说（左）以及由LPMO的氧化促进（右）中纤维素分子的降解

这些发现表明，现有的三种理论，即C1-Cx假说、內型-外型理论和氧化促进理论都是从不同的角度看待同一现象。

これらにより、既存のC₁-C_x説、endo-exo説、oxidative boostの3つの学説は、同じ現象を異なる視点から見たものであることが明らかになった。

该研究结果可直接应用于纤维素（树木和草的主要成分）的酶促降解。这将是一个重要的发现，即利用稻草和甘蔗渣等未使用的生物质，以及废纸和建筑垃圾等纤维素生物质，可高效生产生化产品、生物燃料和生物塑料等。

今回の研究結果は、木や草などの主成分であるセルロースの酵素分解に直接応用できる。稲わらやサトウキビバガス（サトウキビの絞りかす）などの未利用のバイオマスや、古紙や建築廃材といったセルロース系のバイオマスを用いて、バイオ化成品やバイオ燃料、バイオプラスチックなどを高効率で生産するにあたっての重要な知見となる。

翻译：王宁愿

审校：刘翔

李涵

通稿：李涵

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