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高温纤维素分解和半纤维素降解菌分子的多样性

Peter L. Bergquist, Moreland D. Gibbs, Daniel D. Morris, V.S. Junior Teo , David J Saul , Hugh W. Morgan

摘要：高温菌大多属于深系统发育谱系和原始形态的菌属，它们普遍要比能够降解纤维素和半纤维素的真核生物的形成时间早。因此，它们可能含有较低温度生长的中温菌所特有的beta;-聚糖酶基因。当前的大多数研究集中于在65℃以上厌氧极端高温细菌。直到最近，对好氧高温纤维素分解菌的研究才逐渐深入，如Rhodothermus marinus, Caldibacillus cellulovorans。目前尚未确定多数高温细菌产生的纤维素酶和木聚糖酶的催化活性的蛋白质结构域新奇的结构。这些酶是具有多功能的，并且编码超过一种催化活性。这种酶的结构是首次在高温菌Caldice- llulosiruptor saccharolyticus中发现。相应酶催化结构域之间普遍相关，对纤维素结合结构域和其他附属结构域的研究表明，在此类高温菌的进化过程中，可能有出现了相同的基因。详细的分子研究表明，这些相关但不相同有变化的序列中的基因来自分离生物分类学。

关键词：纤维素酶，木聚糖酶，分子多样性，结合域，热稳定域，热解纤维素菌属

1引言

纤维素和半纤维素是最广泛存在的生物聚合物，每年超过10⁹吨的纤维素的产生和降解，奇怪的是，尚未发现65 ℃以上生长能够产生纤维素微生物。然而在这个温度和良好的环境下，蕴藏着各种各样的高温纤维素分解菌。多组高温菌有深厚的亲缘谱系。所以大概是高温纤维素分解菌的菌属是优先确立的纤维素和半纤维素的形成发展真核生物。高温纤维素酶和半纤维素酶微生物的起源依据研究：它们是新的酶或者它们大概是从高温菌基因横向转移的结果。

不管如何，从纤维素降解菌和半纤维降解菌中获得的纤维素酶是证明无论在自然的温泉或环境，还是堆肥桩的植物凋落物的偶然积累的高温环境中，这些微生物是存在的。纤维素和半纤维素在高温环境中降解的2个不寻常的方面是缺乏有氧物种显示参与和完全没有可以加水降解纤维素的菌，如古生菌。结果是至今绝大多数菌是厌氧菌。这是否真实反映了自然的多样性或者还有一个除此之外的物种有待发现。DNA用于探测环境种群基因编码催化结构域的保守区域的方法，其可以提供一个机会不需要培养去确定纤维素分解菌的种类的繁多。

在这篇文章中，描述的来自新西兰地热区的高温纤维素酶和半纤维素酶菌的酶系统的多样性。我们研究独特活性和对纤维素和木聚糖酶活性的关系，并提出了遗传机制来解释主要的多域结构。在过去密切相关的菌株的多样性表明高温菌基因板块的横向转移。

近年来，随着DNA测序技术的长期、自动化的提高，发现了广泛的分子多样性的基因组组织，甚至显然是密切相关的细菌(如从SSU rDNA序列相似性)。从正统的富集研究和从各种环境中的生物的DNA SSU rDNA序列分析的数据大大扩展了已产生的生物多样性的细菌的生物多样性丰富的信息.。从生态角度看，我们的分子生物学研究已经表明，我们已经研究有一类的细菌通过核糖体小亚基DNA(SSU)分析判断密切相关，在合适的热环境中茁壮成长。纤维素酶和半纤维素酶基因的分析显示，有一个令人惊讶的变化在这些近亲属之间的表面上。因此，传统的分类工具，只使用SSU分析分子生态学可能忽视酶含量显著性差异和活动所表现出的半纤维素和纤维素分解菌。我们预计，其他栖息地的密切检查会显示在给定的基因之间的细菌种群的类似序列的变化。

2 纤维素和半纤维素降解菌

高温古细菌已被描述，这是能够水解复合多糖包括淀粉的菌^[2]。几丁质^[3]和木聚糖^[2]，我们培养超过两年一个稳定的菌落至少两个Archea可以生长在葡甘聚糖为唯一碳源(尚未公布的结果)。到目前为止，尽管许多尝试富集，没有可加水分解纤维素的Archea已经被描述。这个事实是令人惊讶的因为所有的糖基水解酶表现出一定的保护在他们的催化结构域，因此纤维素细菌的存在必须保持一种可能性。极端高温菌这些物种的最佳温度历来被认为是大于65 ℃。这一限制，直到最近，只有两个已知为纤维素及少量是半纤维素降解好氧高温菌的报告。与此相反，越来越多的厌氧物种在相似的环境中被发现(表1见参考文献^[2]对木聚糖酶的高温菌列表)。

表一 高温纤维分解细菌的总结

然而嗜酸纤维素分解菌不满足极端高温菌的标准(具有最佳的温度只有55 ℃)它被视为一个极端是因为它生长的最佳pH是5，而且也能在pH为3的条件下生长。Acidothermus是利用纤维素(结晶的或无定形)或木聚糖为唯一碳源和能源生长的放线菌亚门微生物其中的一员。它产生的至少三个非纤维素酶体的内切葡聚糖酶。这些内切葡聚糖酶是所有耐热微生物所产生的酶的结晶(E1，第5组的糖基水解酶家族的成员^[4]) ^[5]。这些酶的性质和应用的许多最近的工作已经被保护的专利。

Rhodothermus marinus是从海洋温泉分离最密切相关的噬屈挠杆菌亲缘血统的好氧嗜热菌，这一组中的许多生物显示多功能性，它们都能生长在多糖上。一种从Rhodothermus纯化的内切纤维素酶是最稳定的纤维素酶，有关记录显示它在100 ℃3.5 h后保持50%的活性^[6]。虽然这内切葡聚糖酶对结晶纤维素没有活性，但在培养滤液的有机体证明它们之间是可以产生关联的，因此Rhodothermus对不溶性底物必须产生一个活性的糖基水解酶。

三分之一好氧分解纤维素高温菌已经分离出来是新西兰网站涉及人工堆肥在实验室条件下成立了一个调查。大肠杆菌cellulovorans这种生物是一种专性需氧芽孢杆菌，指定生长的最佳pH值为7时，最佳温度70 ℃ ^[7]。它生长在一完全定义的无机盐培养基中纤维素底物为唯一碳源和能源，不过，没有证据显示任何纤维素酶在细胞上。纤维素酶是分泌到培养基中，在70 ℃稳定了一周。纤维素是成长的首选基板虽然结晶纤维素被降解，而

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