纤维素酶的进化及其碳水化合物结合模块和分泌途径的系统研究

IIn recent years, the researches that explore the imformation of sequence, structure and image from publicly available databases advance rapidly, which become an important feature of the post-genomic era and promote the creation of "dry lab biology", which has made remarkable achievements, however, there are still no reports of such studies about cellulases. In response to the energy crisis and environmental protection, many countries have been invested enormous human and material resources for researching enzymes related to bioenergy, screening of new enzymes, improving the activity of known enzymes, in order to reduce the cost of biomass energy. On the contrary less attention was paid to the secretory pathway of the enzymes. This project intends to adopt systems biology, bioinformatics, computational mutation approach and other methods to conduct systematic analyses of cellulases documented in the databanks and reveal their evolutionary trends; to compare the characteristics of various carbohydrate-binding modules and obtain in-depth understanding of biological processes of binding between the enzyme and cellulose, which will lay the foundation for the development of new high-performance cellulase; to summarize the secretory proteins associated and explore the ways to improve the efficiency of secretion, which will provide a theoretical basis for promoting the secretion of cellulases and reducing their production costs. This study will be benefit to crack a bottleneck for large-scale application of cellulases and improve the development of biomass industriy in Guangxi.

近年来从可公开获得的数据库中发掘序列、结构和图像为基础信息的研究突飞猛进，成为后基因组时代的重要特征，催生了"干性实验室生物学"，并取得了令人瞩目的成果；但是对纤维素酶的此类研究尚无报导。为了应对能源危机和保护环境，各国投入了巨大的人力物力对生物质能源相关酶进行研究，通常通过筛选新酶和改善已知酶的活性来降低生物质能源的成本；但是对酶的碳水化合物结合模块和分泌途径关注较少。本项目拟采用系统生物学、生物信息学、计算变异学等方法对数据库中记载的纤维素酶进行系统分析，揭示变异进化趋势，比较各种碳水化合物结合模块的结构特点，深入认识酶与纤维素结合的生物过程，为研制新的高性能纤维素酶奠定理论基础；通过总结相关的分泌蛋白，探索提高分泌效率的途径，为促进纤维素酶的分泌、降低酶的生产成本提供理论依据。本项研究有利于攻克纤维素酶大规模应用的瓶颈，促进我国生物质能源的产业化发展。

近年来从可公开获得的数据库中发掘序列、结构和图像为基础信息的研究突飞猛进，成为后基因组时代的重要特征，催生了“干性实验室生物学”，并取得了令人瞩目的成果；但是对纤维素酶的此类研究尚无报导。为了应对能源危机和保护环境，各国投入了巨大的人力物力，通过筛选新酶和改善已知酶的活性来降低生物质能源的成本；但是对酶的碳水化合物结合模块和分泌途径关注较少。. 在理论研究方面，本项目采用系统生物学、生物信息学、计算变异学方法，分析纤维素酶、alpha-淀粉酶、细菌Sec分泌系统中SecA、SecB和SecD亚基的系统进化，为多时间、多种属的进化特点提供依据，定量化反映基因垂直继承和水平转移的程度，揭示变异进化趋势；建立了通过三种方法初筛抗菌剂作用靶标的框架，以减少耐药性的发生；比较各种纤维素酶碳水化合物结合模块的结构特点，深入认识酶与纤维素结合的生物过程，纳米酶的研制将有利于酶与底物的结合、更好发挥催化作用，为提高生物质能源竞争力开辟新途径；分析不同实验条件下SecA亚基的基因网络变化；分析枯草芽孢杆菌分泌淀粉酶的瓶颈问题，总结蛋白酶在分泌应激中的作用及其调控机制，探索提高分泌效率的途径，为促进异源蛋白质的分泌、降低工业酶的生产成本提供理论依据；基于蛋白质的一级结构信息，预测拟南芥蛋白结晶可能性、酿酒酵母和耐碱芽孢杆菌蛋白纯化可能性，有助于提高生物技术领域的生产潜力。在应用研究方面，本项目总结了2,3-丁二醇生产的微生物途径的最新进展和挑战，提出一种系统化、综合化的开发高效微生物细胞工厂的策略；总结生物法合成乙偶姻手性异构体的研究进展；开发了促进左旋-乙偶姻产生的全细胞生物催化剂。. 通过项目的实施，发表论文16篇，其中SCI收录论文9篇（1区1篇、2区1篇、3区5篇、4区2篇），普通国际期刊3篇，《广西科学》和《广西科学院学报》各1篇，国际学术会议论文2篇；他人引用13篇次。申请国家发明专利1项。该项目的研究成果有利于促进广西生物质产业的发展。