觀察將植物纖維轉化為簡單糖的酶

來自洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）、洛倫斯利物浦國家實驗室（LLNL）和加州大學戴維斯分校（UC Davis）的研究，為如何獲取植物中封存的糖以生產無石油的燃料、化學品和藥物提供了新的見解。

利用微生物將草、雜草、木材和其他植物殘渣轉化為可持續產品，是實現碳中和的關鍵，甚至有助於消除藥物短缺。然而，纖維素——構成大部分草本和木本植物體的堅韌組織——難以被分解為微生物所需的組合糖，以構建其他分子。只有進化出專門酶的生物或那些具有這些生物微生物群的宿主，才能從富含纖維素的植物物質中獲取糖。

科學家們正在研究這些酶的工作原理，以便開發出更有效的方法將植物廢棄物轉化為甜味成分。

“我們希望利用植物殘留物，而目前有大量的植物廢棄物，”項目聯合負責人、加州大學戴維斯分校的生物與農業工程教授Tina Jeoh表示。“這些糖是建立以循環可再生碳為基礎的生物經濟的關鍵，為生物燃料、生物化學品和生物材料提供替代化石燃料的選擇。”

Jeoh和她的同事們利用了在伯克利同步輻射紅外結構生物學（BSISB）成像計劃中開發的一種技術。這項技術結合了新型微流控設備和紅外光譜技術，以實時研究纖維素降解酶的工作原理。他們的研究成果最近發表在《綠色化學》期刊上。

纖維素由許多葡萄糖分子組成，這些分子彼此通過單一的共價鍵連接。長鏈的葡萄糖被扭曲成複雜的類似繩索的結構，稱為纖維，這種結構由於緊密排列的葡萄糖之間形成的許多氫鍵而保持在這種形狀。科學家們假設這些氫鍵是為什麼纖維素分解酶反應如此緩慢的原因——它們作為障礙，阻礙了對共價鍵的進入。

為了最終了解在這些反應過程中究竟發生了什麼，兩名伯克利實驗室的研究人員設計了一個實驗系統，該系統能夠提供有關纖維素的原子結構如何隨著酶的運作而改變的信息。該系統由一個小型圓盤狀設備組成，其中包含少量來自綠藻的纖維素液體和少量源自某種真菌的酶。設備將這兩種液體混合，允許反應開始，並在伯克利實驗室的先進光源（ALS）產生的強紅外光束的路徑下進行。然後，靠近設備的檢測器測量在不同時間間隔內，兩種液體在暴露於光束時吸收的光的變化。光譜特徵的變化將表明分子內的化學鍵或鍵環境的變化。

這種技術所產生的結果，屬於一種操作光譜（operando spectroscopy）技術，使用傅里葉變換紅外光譜顯微鏡（FTIR），顯示出纖維中的氫鍵確實在為酶的活動設置障礙。

“到目前為止，纖維素的酶水解一直是研究中的一個挑戰性生化過程，部分原因是研究人員在纖維素解聚過程中難以精確控制和觀察樣品環境的限制，”實驗室生物科學區的高級科學家及BSISB主任Hoi-Ying Holman說。

與Jeoh共同領導該項目的Holman及其當時的BSISB博士後研究員Wujun Zhao設計了這一實驗系統。她表示，“這項技術是BSISB工作人員多年來致力於創建使用紅外光譜顯微鏡研究反應系統的研究與開發的結果。”

根據Holman的說法，團隊的新方法克服了過去的限制，這得益於ALS的紅外光束的卓越亮度，使得能夠對樣品進行精確的實時快照。其次，該液體容器不是完全密封的，而是部分開放的，這樣在保持酶反應和數據收集所需條件的同時，可以按需訪問樣品。

“這些結果作為該技術的關鍵概念驗證，有潛力使科學發現的一個新世代成為可能——特別是對於那些希望在其固有環境和實時狀態下研究和參與生物系統的物理和化學性質的研究人員,” Holman說。

洛倫斯利物浦國家實驗室的科學家計劃利用這種方法研究土壤和植物及動物組織中的生物分子，特別是那些具有生物安全應用的分子。同時，Jeoh及其在UC戴維斯的團隊計劃探索能幫助酶更快突破氫鍵的技術，以提高可持續生產的效率並降低成本。