纤维素酶在木质素上的吸附规律和机制及弱木质素吸附性酶的构建
批准号:
31870562
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
赵建
依托单位:
学科分类:
林产化学
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
卢宪芹、钱远超、杨甜甜、贾贺雪、冯晓婷、毛怡然
中文摘要
利用木质纤维素生物转化生产液体燃料和化学品是当前国际上研究的热点,其中将纤维底物用酶水解成可发酵糖是关键。已知木质素对酶的非生产性吸附影响纤维素的酶解效率,但已有木质素对酶吸附研究集中在木质素对纤维素酶液中蛋白量和酶活的影响以及对几个主要酶组分的吸附和机制研究,无法全面反映木质素对具有复杂酶系组成的纤维素酶的吸附规律及对纤维素酶解的影响机制。项目拟在全酶系水平上,系统研究木质素对不同来源的纤维素酶及其酶系中不同蛋白组分的吸附规律及对不同酶组分活性的影响机制,揭示多蛋白体系中不同蛋白在木质素吸附中的相互影响规律,从酶的结构和性质角度阐明木质素对不同酶组分吸附和对酶活性影响存在差异性的机制,在此基础上,通过构建“弱木质素吸附性和强纤维素吸附性”的酶组分和针对不同底物的高效降解酶系,实现低酶用量下纤维底物的高效水解。研究对后续通过理性设计改造纤维素酶和纤维素酶系、完善木质素对纤维素酶的吸附机制等具有重要意义。
英文摘要
Now, bioconversion of renewable lignocellulose for producing liquid flues and chemicals is a hot topic in the world, in which, a key step is that lignocellulose is hydrolyzed to fermentable sugar using cellulase. In the enzymatic hydrolysis of lignocellulose, however, the non-productive adsorption of enzymes onto lignin affects the enzymatic hydrolysis of cellulosic substrates. The studies about the adsorption of cellulase onto lignin from literatures were focused on the influence of lignin on free protein concentration in the enzyme solution and different enzymatic activity, and focused on studying the rule and mechanism of adsorption of limited several main components in cellulase such as Cellobiohydrolase(CBH), endoglucanase(EG) and β-glucosidase onto lignin. It is difficult to fully reveal the rule of adsorption of cellulase with a complex system onto lignin and mechanism of the effect of lignin adsorption on enzymatic hydrolysis using the results from literatures. . In this project, adsorption rules of different source cellulase and different components in crude cellulase liquor such as various enzyme components and non-enzymatic proteins onto lignin will be systematically studied at the level of the whole enzymatic system of cellulase rather than several main enzyme components, and and influence of the lignin adsorption on enzymatic activity of different enzyme components will be evaluated. The interactions of different protein during adsorption of enzymes to lignin will also be investigated in the multi protein system. The differences on adsorption of different enzyme components onto lignin and on effect of the adsorption on catalytic ability of different enzyme components will be compared and the differences mechanism will be elucidated from the protein structure and properties of different enzyme angle. Based on the results, the enzyme with the ability of weak-lignin-adsorption and strong-cellulose-adsorption will be constructed by enzymatic engineering modification, and the cellulase with high-efficiency degrading enzymatic system will be built according to the characteristics of different cellulosic substrates for achieving effective degradation of cellulosic substrates under low dosage of cellulase. The study is of great significance for modifying cellulase system by rational design method and more understanding the adsorption mechanism of enzyme onto lignin.
在木质纤维素生物转化过程中,木质素对酶的非生产性吸附降低了纤维素酶的水解效率。但目前国内外已有研究缺乏木质素对纤维素酶系中不同酶蛋白的吸附差异性及其机制的深入解析,对木质素吸附影响不同酶组分催化活性的机制也尚未阐明。针对上述背景,本项目系统解析了草酸青霉纤维素酶的酶系组成;从全酶系角度研究了木质素对草酸青霉纤维素酶不同酶的吸附特征,并对吸附量较大且对纤维素水解有重要影响的主要酶组分CBH、EG、Xyn(木聚糖酶)等在木质素上的吸附规律、对不同酶催化能力的影响和机制等进行了详细研究,证实木质素对CBHI、EGⅡ和Xyn10A的吸附过程都遵循二级动力学模型,吸附热力学过程都遵循D-R模型,木质素对它们的吸附都属于物理性的吸附;改变反应体系的pH值和温度会影响蛋白在木质素上的吸附能力和解吸附性能。酶蛋白被木质素吸附后形成了较为稳定的“木质素-蛋白”结合体,在酶水解条件下蛋白难以从木质素上脱析出来。CBH Ⅰ与木质素结合后仍保持一定的催化活性,而EG和Xyn10A与木质素结合后对酶活性影响很大;进一步研究证明CBH和EG的CBM区在与木质素结合中发挥着重要作用,分别通过点突变对CBHⅠ和EGⅡ的CBM区的主要结合位点的氨基酸进行理性改造,获得了对木质素亲和力减弱的突变酶,利用突变酶水解木质纤维素可以获得更高糖产量。此外,还对不同来源的BGL和Xyn10A的功能区分别进行了重组,构建出了与木质素结合能力降低的工程酶,例如,将黑曲霉木聚糖酶Xyn11B的CD、烟曲霉Xyn10A的linker以及草酸青霉Xyn10A的CBM进行融合,构建的重组酶与木质素具有较低的结合能力并对预处理后玉米秸秆木聚糖表现出良好降解能力。预处理方法、预处理强度等都影响木质素对酶的吸附能力。项目研究对完善木质素对酶的吸附机制、从理论上指导寻找有效减少木质素吸附的方法、构建更高效纤维素降解酶系等具有重要科学意义。
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Cellulose induced protein 1 (Cip1) from Trichoderma reesei enhances the enzymatic hydrolysis of pretreated lignocellulose.
来自里氏木霉的纤维素诱导蛋白 1 (Cip1) 增强预处理木质纤维素的酶水解
DOI:
10.1186/s12934-021-01625-z
发表时间:
2021-07-19
期刊:
Microbial cell factories
影响因子:
6.4
作者:
[Jia H, Sun W, Li X, Zhao J]
通讯作者:
Zhao J
Pretreatment Affects Profits From Xylanase During Enzymatic Saccharification of Corn Stover Through Changing the Interaction Between Lignin and Xylanase Protein.
预处理通过改变木质素和木聚糖酶蛋白之间的相互作用影响玉米秸秆酶糖化过程中木聚糖酶的利润
DOI:
10.3389/fmicb.2021.754593
发表时间:
2021
期刊:
Frontiers in microbiology
影响因子:
5.2
作者:
[Feng X, Yao Y, Xu N, Jia H, Li X, Zhao J, Chen S, Qu Y]
通讯作者:
Qu Y
A Detoxification-Free Process for Enhanced Ethanol Production From Corn Fiber Under Semi-Simultaneous Saccharification and Fermentation.
半同步糖化发酵下玉米纤维提高乙醇产量的无毒工艺
DOI:
10.3389/fmicb.2022.861918
发表时间:
2022
期刊:
Frontiers in microbiology
影响因子:
5.2
作者:
[]
通讯作者:
Pretreatment Strategies to Enhance Enzymatic Hydrolysis and Cellulosic Ethanol Production for Biorefinery of Corn Stover.
增强玉米秸秆生物精炼酶解和纤维素乙醇生产的预处理策略
DOI:
10.3390/ijms232113163
发表时间:
2022-10-29
期刊:
International journal of molecular sciences
影响因子:
5.6
作者:
[]
通讯作者:
Production of cellulosic ethanol and value-added products from corn fiber
以玉米纤维为原料生产纤维素乙醇及增值产品
DOI:
10.1186/s40643-022-00573-9
发表时间:
2022-08
期刊:
Bioresources and Bioprocessing
影响因子:
4.6
作者:
[Yingjie Guo, Guodong Liu, Yanchun Ning, Xuezhi Li, Shiyang Hu, Jian Zhao, Yinbo Qu]
通讯作者:
Yinbo Qu
共 13 条
木质纤维素材料预处理过程中木质素结构和性质的变化及其对纤维素酶吸附的影响及机制
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批准号:21276143
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项目类别:面上项目
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资助金额:78.0万元
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批准年份:2012
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负责人:赵建
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依托单位:
Fusarium concolor X4处理抑制高得率纸浆返黄的机制研究
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批准号:31170107
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项目类别:面上项目
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资助金额:56.0万元
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批准年份:2011
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负责人:赵建
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依托单位:
阿魏酸酯酶在非木材纤维原料和纸浆酶法脱木质素中的作用和机制
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批准号:30970096
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项目类别:面上项目
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资助金额:30.0万元
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批准年份:2009
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负责人:赵建
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依托单位:
生物法抑制高得率浆返黄及机理研究
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批准号:30570044
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项目类别:面上项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2005
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负责人:赵建
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依托单位:
多酶体系降解脱除麦草木素及机理研究
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批准号:30400338
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:22.0万元
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批准年份:2004
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负责人:赵建
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依托单位:
国内基金
海外基金