生物质转化酶的改进：一个基本的研究视角
论文翻译
Improving Enzymes For Bioma Conversion: A Basic Research Perspective
生物质转化酶的改进：一个基本的研究视角
班纳吉1，约翰·S·斯科特-克雷格1和乔纳森D.沃顿1 （1）能源部大湖生物能源研究中心，植物研究实验室，密歇根州立大学，东兰辛，MI 48824，USA Jonathan D.沃顿的
在线发布时间：2010年1月9日
抽象
植物生物质原料转化为可发酵糖酶的成本是一个实用的纤维素乙醇产业发展的一大障碍。私人产业界，学术界和政府实验室正在积极追求的目标降低成本的材料，如玉米秸秆生物质转化成葡萄糖，木糖，和其他糖酶优化研究。部能源大湖生物能源研究中心的主持下，我们采取几种方法来解决这个问题，包括优越的关键酶，蛋白质工程，在植物中表达和高层次的“生物勘探”。一个特别的重点是发展合成酶的混合物，以了解已知的酶的数百重要在什么比例。一组核心包括切纤维素酶，内切葡聚糖
β-葡萄糖苷酶，木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶。配件的酶包括酯酶，蛋白酶，非水解蛋白质和糖基水解酶，裂解不太频繁的植物细胞壁中发现的化学联系。
关键词
纤维素 半纤维素酶 木聚糖酶 氨纤维膨胀 玉米秸秆 生物能源 木糖苷酶，葡萄糖苷酶，纤维二糖水解酶 内切葡聚糖酶 木霉 曲霉
介绍
从木质纤维素材料液体运输燃料被看作是一个重要的潜在替代石油[ 35 ]。预计纤维素乙醇有利于温室气体的分布，减轻对外国石油的依赖，弥补全球石油储量减少，并提供了一个经济的推动作用[ 16 ]。 最受欢迎的木质纤维素生物质转化为乙醇或其他液体燃料的战略涉及多糖的酶催化的解聚反应。然而，酶本质上是昂贵的，因为它们必须产生的生活系统，在热力学上是不稳定的。由于木质纤维素的化学和物理顽抗，酶负荷高降解率是必要的，以合理的。酶的最终成本是阻碍发展的一种经济可行的纤维素乙醇产业[ 40 ] 的主要开支之一。
生物质转化酶
生物化学和植物木质纤维素材料的化学和微生物酶，解聚，经常被评论[ 12，40，58 ]。它提醒读者的木素纤维素材料转化为可发酵糖的速率和效率的函数开始的生物质材料，预处理，介于6至60的酶活性的参与，和的定义中的“可发酵糖” 。不同的原料（木材，玉米秸秆，甘蔗渣等）受到不同预处理含有不同浓度（变量）不同的糖。考虑到所期望的最终产品的解聚，野生型的酿酒酵母（酵母）发酵葡萄糖但不木糖，，而木糖和纤维寡糖是可以接受的其他天然或工程微生物[ 28，51 ]。因此，生物质源，预处理，酶混合物，发酵微生物是相互依存的变量。
从研究最为透彻的酶系统的角度来看，结晶纤维素的解聚作用的心脏包括纤维二糖水解酶（CBH），内切β1，4 -葡聚糖酶（EG）和β-葡萄糖苷酶（BG）。半纤维素分解的酶学我们的知识是那么广泛。
而纤维素是化学均匀，可在高纯度的形式，半纤维素比较丰富，植物物种和组织之间在一个单一的工厂。双子叶植物的半纤维素，例如，含有岩藻糖，O-乙酰化的半乳糖，α1，6 -木糖取代的β1，4 -葡聚糖[ 10，19，46 ]。酶活性，有必要在双子叶植物的半纤维素降解的联系，因此，包括β1，4 -葡聚糖酶（可专门用于半纤维素，例如木葡聚糖），α-岩藻糖苷酶，α-葡糖苷酸酶，β1,4-木聚糖酶，α-和β-木糖苷酶，α-阿拉伯糖苷酶和酯酶的几类。果胶是解构果胶裂解酶，果胶酶，果胶,甲基酯酶，以及复杂的果胶（如鼠李II）的情况下，可能是其他酶。对比草本双子叶植物，谷类中含有较低水平的果胶，更高水平的glucurononoarabinoxylan，和酯化的酚醛树脂。这些成分的解聚的木聚糖酶，α1，2 -和α1，3 -阿拉伯糖苷酶，α-葡糖苷酸酶，和酯酶[ 55 ]。谷物也含有的混合联动葡聚糖（MLG），局部地区发现高浓度的一些组织，如幼苗和胚乳墙。后者是干燥酒糟（DDG）的主要组成部分，玉米淀粉乙醇生产的副产品。MLG水解的一些常规的纤维素酶（即，β1，4 -葡聚糖酶），也可以由专门的酶（称为混合联葡聚糖酶，β-葡聚糖酶，或地衣酶
）。
除了 直接作用于植物细胞壁多糖的共价键的酶，间接发挥作用的酶，也可能是重要的纤维素分解。这种酶有三类。第一个非酶蛋白质，有助于墙松动，如膨大和真菌和细菌的同源物[ 52 ]。第二组，可能会对间接关键酶是那些降解非糖苷的壁部结构构件，如木质素和蛋白质，从而便利的糖基水解酶[ 44 ]。第三组可能是潜在的重要的
辅助酶降解的小分子物质，预处理释放，抑制降解酶的核心或下游发酵步骤[ 6，7，31 ]。
生物酶的研究景观
目前生物质解构（以及对于大多数其他工业应用）的酶是来自于真菌，特别是木霉属的物种（其有性阶段被称为肉座菌属）和曲霉（有性阶段翘孢霉属）的。一些酶制剂，主要用于食品加工，从有丝分裂的子囊菌腐质霉属或从种芽孢杆菌的细菌，如。20世纪50年代以来，里氏木霉已遭受多轮菌种改良增强纤维素酶生产[ 41 ]。减少降解物阻遏来自增强的纤维素酶生产[ 23 ]，减少蛋白酶的活性[ 42 ]，简单的营养原料和廉价的纤维素酶诱导剂的高密度的方法来种植木耳的发展。目前蛋白生产T.里氏木霉据报道，接近100克/升，并要求最小的后发酵处理。
最突出的方面，目前的研究环境对生物酶是其集中在私营部门，尤其是在两个主要的工业酶制剂公司，杰能科和诺维信。这种状况，明确支持在美国能源署（DOE）的生物能源研究的主要资助者。在过去的10年中，已经有两个大的方案，在这些和其他酶公司资助研究。2001年，诺维信和杰能科赠款15亿美元和17亿美元，分别。这笔资金已经指出，导致20 - 30倍，减少酶的成本生产乙醇酸处理玉米秸秆[ 53 ;http://www.daodoc.com/biofuels/） 61。徐强，辛格希梅尔A，M（2009）采用综合生物加工木质纤维素生产燃料乙醇的视角和新的方向。当前奥平生物工程20:364-371号对照表考研
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