纤维素酶结合模块与纤维素晶体表面的相互作用机制

The enzymatic hydrolysis of crystalline region of cellulose is one of the bottlenecks to produce bioenergy and bio-chemicals. To understand the interactions between the binding modules of cellulases and the surface of cellulose polymorphs is helpful to understand the mechanism of emzymatic hydrolysis of cellulose and therefore is helpful to enhance the effeicy of enzymatic hydrolysis, to reduce the loading of emzymes and to improve the recovery rate of emzymes. This project proroses to employ Quatz Crystal Microbalance as a tool to moniter the adsorption and enzymatic hydrolysis of monoenzyme which seperated and purified from coarse cellulases of difference cellulose binding modules (CBM 1, 2 and 3) on the surface of cellulose crystals with difference polymorphs(i.e. cellulose I, II and III). This project expects to reveal the interactions between the cellulose binding modules and the surface of cellulose crystals from the molecular level and as a consequence, to further understand the mechanisms of enzymatic hydrolysis of cellulose, especially the enzymatic hydrolysis of crystalline region of cellulose. The results of this project will provide some theoratical evidences to the pretreatments of lignocellulosics, the oriented culture and the recovery of cellulases. In addition, the project will reveal the impacts of polymorphs' converstion on the morphology and crystallinity change for cellulose nanocrystals as well. Smooth, uniform cellulose nanocrystal sensors with different polymorphs developped in this project will also provide a platform for the research of cellulose materials and cellulose science.

纤维素结晶区的酶解是纤维素生物能源与化学品生产的瓶颈之一，深入理解纤维素酶结合模块（CBM）与纤维素晶体表面的作用机制，将有助于对酶解机理的理解，从而为优化纤维素酶解回收策略提供理论依据。本课题运用石英晶体微天平技术来实时、原位的检测分离纯化的源自不同CBM家族的纤维素酶亚组分在不同纤维素晶体（纤维素I，纤维素II，纤维素III（I）和III（II））表面的吸附、解吸以及酶解规律，从分子结构的水平来揭示不同的CBM 与纤维素晶体表面的相互作用机制，从而为更进一步的理解纤维素结晶区的酶解机理提供证据，为木质纤维素的预处理、纤维素酶的定向培育、纤维素酶的回收等研究提供理论依据。另外，本课题还将揭示纤维素纳米晶体在晶型转变过程中对其形貌和结晶度的影响并制备出均一的、具有不同晶型的纤维素纳米晶体生物传感器，为纤维素材料科学的研究提供了一个模型平台。

基于可再生的纤维素的能源与化学品逐渐成为人们关注的焦点，然而在纤维素能源与化学品转化过程中一个重要瓶颈是纤维素结晶区的降解。本项目从纤维素酶的结合域与不同晶型纤维素晶体表面的相互作用机制入手，试图从底物晶体结构、纤维素酶结合域的结构及其相互作用亲和力来对其进行破解。本项目研究了纤维素纳米晶体从纤维素I到II的转化机制，发现了纳米效应，即纳米纤维素的转化浓度比大纤维的略低，而且这个转化浓度与其晶粒尺寸相关，并且通过TEMPO氧化在分散丝光化后的纤维素晶体，发现纤维素II是有数个相互连接的20-30nm的小晶粒组成，从而为纤维素I到II转化的折叠理论提供了影像学的证据；并据此制备了具有相似结晶度但不同晶型的纤维素纳米晶体模型界面，然后利用石英晶体微天平技术来实时、原位的检测了源自相同纤维素酶结合模块（CBM）家族但不同来源的纤维素酶与纳纤丝纤维素薄膜的作用机制，以及纯化的不同CBM （1，2，3）在不同晶型的纤维素纳米晶体表面的吸附规律，从纤维素酶吸附的角度（吸附量、吸附层结构和可逆吸附率等）阐释了纤维素II的超级酶解效率。本研究深化了我们对CBM与纤维素晶体表面的作用机制的理解，对结晶区的高效酶解提供了理论基础，也为纤维素酶与纤维素薄膜底物的相互左右提供了多倍频拟合的分析方法。本项目按照计划顺利执行，完成了既定目标。