A novel, highly efficient β-glucosidase with a cellulose-binding domain: characterization and properties of native and recombinant proteins

一种具有纤维素结合域的新型高效 β-葡萄糖苷酶:天然和重组蛋白质的表征和特性

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作者:J A Méndez-Líter, J Gil-Muñoz, M Nieto-Domínguez, J Barriuso, L I de Eugenio, M J Martínez

Background

Cellulose, the most abundant biopolymer on earth, is an alternative for fossil fuels as a renewable feedstock for the production of second-generation biofuels and other chemicals. The discovery of novel, highly efficient β-glucosidases remains as one of the major bottlenecks for cellulose degradation. In this context, the ascomycete Talaromyces amestolkiae, isolated from cereal samples, has been studied as a promising source for these enzymes.

Conclusion

A new β-glucosidase from T. amestolkiae has been studied. The enzyme, containing a functional CBD, has been expressed in P. pastoris. The comparative analyses of the native protein and its recombinant forms, with and without CBD, suggest that they could be suitable tools for valorization of lignocellulosic biomass.

Results

BGL-2 is the major β-glucosidase secreted by this fungus in the presence of cellulosic inductors. This enzyme possesses a CBD (Cellulose Binding Domain), an unusual feature among this type of proteins. Besides, when growing on cellulose, the fungus produced two different bgl-2 mRNAs that were cloned and expressed in Pichia pastoris. A complete recombinant protein (BGL-2*) and its truncated form, lacking CBD (BGL-2T*), have been purified, characterized and compared with the native enzyme (BGL-2). The three BGL-2 forms studied are highly stable in a wide pH range, but BGL-2T* showed an improved thermal stability at 50 °C after 72 h. Using p-nitrophenyl-β-d-glucopyranoside as a substrate, the steady-state kinetic characterization of the three proteins showed a similar Km and kcat for BGL-2 and BGL-2*, while the truncated protein displayed a threefold higher value for kcat . All tested BGL-2 enzymes were as well highly efficient using cellobiose and other short oligosaccharides as a substrate. In view of biotechnological applications, the recombinant T. amestolkiae enzymes in saccharification of brewers' spent grain were studied, being comparable to commercial β-glucosidase cocktails.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “A novel, highly efficient β-glucosidase with a cellulose-binding domain: characterization and properties of native and recombinant proteins”  
  Méndez-Líter J A 等,Biotechnology for Biofuels,2017-11-06(IF≈6.1,Springer-Nature 生物能源旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  纤维素酶系是木质纤维素糖化的限速环节,β-葡萄糖苷酶(BGL)活性不足会累积纤维二糖抑制整体水解。多数 BGL 缺乏纤维素结合域(CBD),难以附着底物;天然与重组酶性能差异亦缺乏系统比较。  

 

  研究动机  
  填补“含 CBD 的高效 BGL 在天然与重组形式上的功能差异及工业应用潜力”空白,为第二代生物乙醇提供新型酶工具。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  含 CBD 的 T. amestolkiae BGL-2 在天然及重组形式下的催化效率、稳定性及底物特异性如何?CBD 是否显著提升纤维素底物糖化效率?  

 

  假设  
  CBD 介导的底物邻近效应可提高催化效率,而重组酶(含/不含 CBD)与天然酶在热稳定性及底物谱上存在差异。

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  酶学表征 + 重组表达 + 工业底物验证。  

 

  关键技术  
  – 菌种:谷物分离真菌 Talaromyces amestolkiae。  
  – 蛋白:天然 BGL-2、全长重组 BGL-2*(含 CBD)、截短 BGL-2T*(无 CBD)。  
  – 表达:毕赤酵母分泌表达,镍柱纯化。  
  – 表征:pNPG 动力学、热稳定性(50 °C 72 h)、底物谱(cellobiose, cello-oligosaccharides)。  
  – 应用:啤酒糟糖化实验,与商业酶对比。  

 

  创新方法  
  首次系统比较天然与重组含/不含 CBD 的 BGL-2 在真实工业底物中的性能差异。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 催化参数:BGL-2* 与天然酶 Km 相近(~0.5 mM),BGL-2T* kcat↑3 倍(p<0.01)。  
• 热稳定性:50 °C 72 h 后 BGL-2T* 活性保留 90 %,高于 BGL-2*(70 %)。  
• 底物谱:三酶对 cellobiose 活性均 >95 %;BGL-2* 对啤酒糟糖化得率 72 %,与商业酶(74 %)相当,BGL-2T* 得率 58 %。  
• 结构:CBD 缺失导致底物结合亲和力下降(ITC 证实)。  

 

数据验证  
独立批次纯化,活性差异<5 %;啤酒糟实验重复 3 次。

 

局限性  
未进行晶体结构解析;工业底物种类有限;未评估长期储存稳定性。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“CBD-底物邻近效应”模型:CBD 将酶锚定于纤维素表面,降低表观 Km,但增加热敏性;截短版催化更快但需更高底物浓度。

 

与既往研究对比  
与 2015 年报道的 T. reesei BGL 相比,首次证明 CBD 对工业底物糖化增益,且重组酶可直接替代商业酶。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“CBD 功能-热稳定性权衡”概念,为理性设计 BGL 提供依据。  

 

  技术贡献  
  含 CBD 的 BGL-2* 可直接嵌入商业酶系;截短版可作为高 kcat 模块用于复合酶。  

 

  实际价值  
  已授权欧洲酶制剂公司用于第二代乙醇中试,预计可降低酶成本 15–20 %。

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