TrCel7a是一種纖維素酶：一種特殊的酶，可以分解纖維素，這是地球上最豐富的天然聚合物。這種酶就像一個(gè)微觀的木材削片機(jī)。它吞下緊密結(jié)合的纖維素束并將它們分解成單糖。它的工作速度非常慢，但就像一輛卡車運(yùn)行速度很慢的卡車一樣，一旦開始運(yùn)行就很難停下來。它也是自推進(jìn)的，在很大程度上取決于它破壞的纖維素鍵的能量。

尋找制造像TrCel7a這樣的酶更快更有效的方法可能是將纖維素制成的乙醇轉(zhuǎn)化為主要新的可再生燃料來源的關(guān)鍵。在美國，每年大約有3.23億噸纖維素廢物被扔掉 - 足以提供目前燃料消耗量的30%。

范德比爾特大學(xué)化學(xué)與生物分子工程教授馬修朗說：“到目前為止，這個(gè)系統(tǒng)在分子水平上都是一個(gè)黑盒子。我們知道這些酶做了什么，但我們不知道它們是如何起作用的。”

在朗實(shí)驗(yàn)室工作，博士生索尼婭布拉迪在TrCel7A的情況下打開了這個(gè)黑盒子并向內(nèi)看。借用生物物理學(xué)家用于研究其他分子馬達(dá)的技術(shù)，她以前所未有的細(xì)節(jié)測(cè)量了酶及其組成部分的行為。該研究的結(jié)果發(fā)表于2015年12月10日的在線期刊Nature Communications上。

“測(cè)量單個(gè)酶及其組成部分的行為是纖維素分解研究中的一種新策略，”Brady說。“我們希望它能提供其他人可以用來以新的和令人興奮的方式將生物戰(zhàn)略與工業(yè)過程結(jié)合起來的知識(shí)。”

在過去的八年中，美國政府一直支持開發(fā)先進(jìn)生物燃料的重大計(jì)劃。纖維素乙醇的主要研究領(lǐng)域之一是找到最有效和低成本的微生物和酶用于該過程。這些努力的大部分集中于尋找使纖維素酶產(chǎn)生的微生物產(chǎn)生更大量的這些酶的方法。

另一方面，Brady和Lang決定研究單個(gè)纖維素酶的工作方式。為此，他們選擇了由絲狀真菌里氏木霉(Trichoderma reesei)產(chǎn)生的纖維素酶，其是商業(yè)上用于分解纖維素的微生物之一。里氏木霉產(chǎn)生三種不同酶的混合物，用于此目的，其中60%(按質(zhì)量計(jì))為TrCel7A。

為了首先直接測(cè)量單個(gè)TrCel7A分子的機(jī)械性能，研究人員使用了一種稱為光學(xué)鑷子的儀器，用激光束抓取和操縱極小的物體。然而，它們不適用于像酶一樣小的任何物質(zhì)。因此，研究人員必須將微小的聚苯乙烯球體附著在單個(gè)分子上。(想象一下，在梅西百貨的感恩節(jié)游行中，一個(gè)人拿著其中一個(gè)氣球的繩索。)

一旦這樣的球體附著并且酶被放置在纖維素纖維上，它就會(huì)在它工作時(shí)將球體拖到它后面。這使研究人員能夠追蹤其無形的運(yùn)動(dòng)。同樣重要的是，研究人員可以用光學(xué)鑷子抓住球體并對(duì)其施加力......將力傳遞給酶。通過協(xié)助和抵抗酶的運(yùn)動(dòng)，研究人員確定了使TrCel7A減速所需的力以及拉動(dòng)它時(shí)加速的程度。

研究人員發(fā)現(xiàn)這種酶很慢。它沿纖維素鏈蠕變，平均每秒僅0.25納米。這大約是每秒10個(gè)氫原子的寬度。他們發(fā)現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)包括一個(gè)納米級(jí)的交替步長(zhǎng)和不同長(zhǎng)度的停留時(shí)間。“看起來它很容易增加步長(zhǎng)，因?yàn)樗坪跖c纖維素中葡萄糖單元的長(zhǎng)度直接相關(guān)，”Lang說。“但是，當(dāng)我們施加輔助力時(shí)，我們可以通過減少停留時(shí)間來加倍酶的速度。”

此外，研究人員將酶分解為其組成部分，并澄清了每個(gè)部分的作用。TrCel7a有三個(gè)基本組成部分：一個(gè)主要的“催化結(jié)構(gòu)域(CD)”，一個(gè)小得多的“碳水化合物結(jié)合模塊(CBM)”和一個(gè)連接兩者的靈活的“連接子結(jié)構(gòu)域(LD)”。“我們稱CBM和LD為CD的球和鏈，”Lang說。

利用該酶的遺傳藍(lán)圖，研究人員制作了催化結(jié)構(gòu)域的版本，沒有附著LD和CBM。他們發(fā)現(xiàn)，一旦這張裸CD發(fā)現(xiàn)一股纖維素被咀嚼，它就會(huì)以與整個(gè)酶相同的方式表現(xiàn)出來。“這引發(fā)了為什么裁談會(huì)保持其球和鏈的問題，”郎說。

答案似乎是通過附著在纖維素纖維上，CBM將CD保持在纖維附近，因此它可以找到松散的末端，它可以更容易地?cái)z取。他們的研究表明，沒有球和鏈的CD引發(fā)纖維素加工的速率僅為整個(gè)酶的1/50。

TrCel7A的一個(gè)局限性是它需要找到纖維素鏈的斷端才能開始工作。這就是里氏木霉產(chǎn)生另一種叫做內(nèi)切纖維素酶的酶的原因。這需要短的纖維素纖維塊，基本上會(huì)產(chǎn)生TrCel7A可以開始消化的松散末端。結(jié)果，兩種酶共同作用的分解速率顯著高于它們能夠獨(dú)立工作的分解速率。

根據(jù)Lang的說法，他們研究的下一步是研究這些酶的集合在分子水平上如何協(xié)同作用。