木质素是地球上丰富的有机碳库。微生物驱动的木质素转化对生物地球元素循环过程和生物资源利用具有重要影响。然而，目前微生物降解木质素的过程并没有得到很好的诠释。近日，山东大学海洋研究院海洋碳汇团队林璐老师课题组对木质素解聚酶的分泌机理和降解过程的研究取得重要进展。该研究成果在线发表于Green Chemistry。
微生物降解木质素第一步是分泌各种胞外解聚酶酶，在胞外将大分子的木质素解聚成小分子物质，运输到胞内进一步分解代谢。故解聚酶的胞外表达是微生物降解木质素的第一步，也是关键步骤。微生物通常将酶以游离或附着在细胞表面两种形式分泌到胞外。以微生物降解纤维素为例，好氧真菌通常分泌游离纤维素酶水解胞外纤维素，而厌氧细菌通常生产附着在细胞表明的纤维小体水解纤维素。有趣的是，相比于真菌需要生产大量游离的水解酶，细菌只需分泌少量的纤维小体就可对纤维素进行有效的降解。与纤维素水解不同，木质素酶解属于氧化还原反应，表达大量木质素解聚酶通常会改变细胞的氧化环境，因而分泌表达木质素解聚酶难度更大。此外，相比于研究的较为透彻的纤维素水解过程，木质素氧化过程知之甚少。木质素氧化是否和纤维素水解一样，附着在胞外的解聚酶会显示较高的催化效率，仍是未知。
胞外游离漆酶和附着漆酶催化机制。
本研究选取已有良好木质素生物转化研究基础的假单胞菌为研究对象，以异源漆酶为目标酶，基于组学数据，分别设计、构建了两种分泌装置：游离型和附着型，从而高效表达漆酶，其胞外酶活高达300 U/mL。进一步研究发现相比与附着漆酶，游离漆酶与假单胞菌展现了较好的木质素降解协同作用，木质素降解量提高至12.5%，细胞生长量也得到显著提高（9×1010CFUs mL−1）。该结果挑战了目前微生物降解聚合物的认知，表明分泌途径和充足的反应表面对于催化木质素这种大分子物质的重要性。本研究不仅完善了现有的革兰氏阴性菌分泌机制，也为胞外木质素解聚酶-细胞协同降解木质素提供了新的见解。
该研究获得国家自然科学基金（91951116），国家重点研发计划（2019YFA0606704），山东大学基本科研业务费专项资金（2019GN101）等项目的支持资助。
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/GC/D0GC04084C。
作者：粱丛颖