《Nature》重磅：科学家发现新型酶，助力生物质高效转化

近期，《Nature》杂志上发表了一篇题为“A metagenomic ‘dark matter’ enzyme catalyses oxidative cellulose conversion”的研究论文，报道了一种从微生物“暗物质”中发现的新型金属酶——CelOCE，它能够高效地氧化分解纤维素，这一发现为生物质转化和生物经济的发展带来了重大突破。

一、纤维素分解的难题与新发现

纤维素是地球上最丰富的可再生聚合物，广泛存在于植物细胞壁中。然而，由于纤维素的结晶微纤维结构以及与木质素和半纤维素的复杂相互作用，其生物降解过程极为缓慢且困难。传统的纤维素分解主要依赖于内切β - 葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和β - 葡糖苷酶等水解酶，但这些酶在分解结晶纤维素时效率较低。近年来，虽然发现了能够作用于纤维素结晶区的氧化还原酶——裂解多糖单加氧酶（LPMOs），但纤维素分解的挑战仍未完全解决。

在这项开创性的研究中，科学家们通过挖掘专门降解木质纤维素的微生物群落的“暗物质”（未分类且功能未知的DNA），意外地发现了一种能够氧化裂解纤维素的金属酶——CelOCE。这种酶以一种独特的外切型机制作用于纤维素，具有C1区域选择性，其产物仅为纤维二糖酸。这一发现不仅改变了我们对细菌氧化还原酶系统克服生物质抗降解性的传统认知，更为生物质转化开辟了新的途径。

二、CelOCE的独特结构与作用机制

研究人员解析了CelOCE的晶体结构，揭示了其独特的结构特征。CelOCE呈现出紧凑的卷筒状结构，其中催化铜原子被埋藏在一个扁平的纤维素结合位点内。这种酶以同源二聚体的形式存在，两个亚基的活性位点分别位于相对的两侧。这种独特的二聚体结构使得一个亚基能够在与纤维素相互作用时，另一个亚基能够原位生成过氧化氢，从而为纤维素的氧化裂解提供所需的共底物。这种自给自足的过氧化氢生成机制是CelOCE区别于其他已知纤维素氧化酶的关键特点。

在催化过程中，CelOCE严格依赖电子供体（如抗坏血酸）和共底物（氧气或过氧化氢）来发挥活性。在有电子供体存在的情况下，CelOCE能够在有氧和无氧条件下均表现出活性，且其对纤维素的氧化裂解速率在两种条件下相当。这表明，CelOCE能够在没有外源过氧化氢的情况下，通过自身的二聚体结构有效地利用氧气生成过氧化氢，从而驱动纤维素的氧化裂解反应。

三、CelOCE的生物技术潜力

CelOCE的发现不仅在基础科学研究中具有重要意义，其在生物技术领域的应用前景也极为广阔。研究人员通过将CelOCE基因整合到工业上常用的木霉菌（Trichoderma reesei）中，成功构建了能够高效表达CelOCE的工程菌株。在工业相关条件下，这种工程菌株的分泌物能够显著提高预处理木质纤维素生物质中葡萄糖的释放量。与表达一种已知的真菌LPMO（来自Lentinus similis的LsAA9A）的菌株相比，表达CelOCE的菌株在生物质转化效率上表现出更大的优势。这一结果表明，CelOCE在生物质转化过程中具有巨大的潜力，有望为生物质燃料和化学品的生产提供一种更高效、更可持续的技术手段。

此外，CelOCE的结构紧凑，仅由115个氨基酸残基组成，是已知的最小的具有催化活性的碳水化合物酶之一。其独特的铜配位方式和缺乏LPMOs中常见的N端组氨酸特征，使其在生物技术应用中具有诸多优势，如更好的扩散性、便于蛋白质工程改造以及设计人工酶或新功能。这些特点使得CelOCE在未来的生物技术开发中具有广阔的应用前景。

四、总结与展望

这项研究通过深入挖掘微生物“暗物质”，发现了一种具有独特氧化还原机制的纤维素分解酶——CelOCE。CelOCE以其独特的结构和作用机制，为纤维素的高效分解提供了一种全新的途径。其在生物质转化中的应用潜力，不仅有望推动生物质燃料和化学品生产的工业化进程，也为农业工业残留物的生物转化和可持续利用提供了新的思路。随着对CelOCE及其相关酶系的进一步研究和开发，我们有理由相信，这一发现将在未来生物经济的发展中发挥重要作用，为实现可持续发展和应对全球气候变化挑战做出积极贡献。

CelOCE蛋白 P5101

Santos, C. A. et al. A metagenomic ‘dark matter’ enzyme catalyses oxidative cellulose conversion. Nature 639, 1076–1083 (2025).