什么是尖锐湿疣热纤梭菌：化腐朽为神奇，我是认真的-科学大院
热纤梭菌：化腐朽为神奇，我是认真的-科学大院
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作者：颜飞（中国科学院青岛生物能源与过程研究所）
每年秋冬，秸秆焚烧都是个令人头疼的问题：
全国秸秆焚烧卫星遥感监测分布图（图片来源：roll.sohu.com/）
虽然我们已经有了一些有效的监测手段，比如遥感卫星（参见地球上哪里“火了”，这些“千里眼”都能及时看见！），但终究是治标不治本。那么，有没有办法可以从根本上解决秸秆等农林废弃物问题？
有的！靠细菌！
垃圾or资源
农林废弃物喜欢你讨厌你 ，在一般人眼里是垃圾，在科学家眼里却是放错地方的资源。
这些植物在生前通过光合作用积累了大量的纤维素，作为地球上最丰富的可再生资源，纤维素如果能够得到有效地利用，不仅能解决农林废弃物问题，而且可以缓解化石能源危机。
图片来源：https://dealer.autohome.com.cn/
虽然纤维素数量可观，但是利用起来却没那么容易，降解它就得费上九牛二虎之力。
自然界的进化就是一场博弈。为了防止微生物与酶的降解，植物在长期的进化中形成了强大的“抗降解屏障”。
纤维素是由若干葡萄糖残基通过β-1,4糖苷键连接而成的线性葡聚糖。纤维素链之间通过氢键网形成了连水分子都插不进去的结晶体。这是纤维素降解的第一道关卡。
在植物细胞壁中，纤维素被包埋在由果胶、木质素、半纤维素等组成的基质中，阻隔了纤维素酶与纤维素链的直接接触。相比纤维素，木质素和半纤维素的结构要更加复杂。这是纤维素降解的第二道关卡。
开工前的热身
首先要做的事情就是打造通向纤维素的“绿色通道”！
科学家们绞尽脑汁想出了各种方法来瓦解纤维素的抗降解屏障：
采用微波技术处理木质纤维素原料，破坏纤维素链间的氢键，提高其可及性；
采用酸性或碱性溶剂浸泡底物，可改变其中木质素的结构和含量；
采用蒸汽爆破的方法，可移除其中的半纤维素，减小木质纤维素的颗粒度并增加其多孔性。就算是固若金汤的城池，也非要给它炸出几个窟窿不可。
“劳模”登场
细菌往往背负着“致病”的骂名，实际上许多细菌都在为人类服务。
热纤梭菌就是其中的一位劳模。
热纤梭菌是谁？此君（菌）是一种耐热厌氧细菌，具有高效降解纤维素和产乙醇的能力，在生物能源领域具有重要价值。热纤梭菌对纤维素的高效降解主要依赖于其胞外的多酶复合体——纤维小体。我们可以在电镜下一睹她的芳颜，图中梭状体为热纤梭菌，钱今凡表面的白色突起就是纤维小体。
热纤梭菌及纤维小体（图片来源：中国科学院青岛生物能源与过程研究所）
在这场“战役”中，最初，热纤梭菌漫无目的地四处游荡，不时向周围发射几颗“炮弹”——纤维素酶。这些纤维素酶是游离酶，可以分泌到距离热纤梭菌很远的地方。如果周边环境中有纤维素存在，在纤维素酶的轰击下，纤维素链就会发生断裂金道妍，产生少量的纤维二糖和纤维糊精。
研究发现热纤梭菌能以细胞表面的碳水化合物结合模块（CBM）作为信号接收器,感应到环境中的“猎物信号”——纤维二糖。经过一系列信号传导，启动对“纤维小体”的合成。
细菌内部就像一个加工厂，热纤梭菌通过“传送带”——胞内蛋白转运系统将各个零部件跨膜运输到细胞表面，进行高效而有序的“组装”。由支架蛋白组成的骨架通过挂壁模块牢牢地固定在细菌的细胞壁上阳萌，形成了细菌的机械臂。各种纤维素水解酶通过相互识别的蛋白模块结合到支架上，如同挖掘机的铲斗一般。
纤维小体降解纤维素（图片来源：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/）
纤维小体“挖掘机”组装就绪，热纤梭菌就要开始干活了！细菌造的可不是一般的挖掘机，而是一台“超级挖掘机”！
一个纤维小体上载着不同种类的纤维素水解酶什么是尖锐湿疣 ，大致分为两类：一类是内切酶，负责从纤维素链内部进行切割；另一类是外切酶，负责从纤维素链末端进行切割。各种纤维素水解酶分工合作大国海魂，实现了纤维素的高效水解。
根据底物纤维素的状态，热纤梭菌可以调整纤维小体上各种水解酶的比例和空间分布，把酶与酶之间的协同效应发挥到了极致。
在细菌生长进入对数后期时，热纤梭菌的“食欲”大增。可是这时周边的纤维素已被开采殆尽，热纤梭菌为了填饱肚子，毅然选择了“断臂”。
此时分泌的纤维小体已经不再挂在细胞壁上，而是离开热纤梭菌到远方去开疆拓土。纤维小体一路向前挖过去涂序新，从而形成了一个由低到高的糖梯度，牵引着热纤梭菌向纤维素充裕的方向移动。原来这台挖掘机还自带“遥感系统”，热纤梭菌果然是个老司机。
纤维素变汽油何美细 ！
热纤梭菌通过预处理时打开的绿色通道更加便捷地接近纤维素，利用纤维小体这把利刃，切割纤维素链，最终收获的是一筐筐的“葡萄糖分子”。
生物乙醇生产工艺流程图（图片来源：http://image.baidu.com）
这些葡萄糖可不要急着吃，它们还有大用处。我们在微生物细胞内搭建起“微型工厂”，在这里对葡萄糖进行发酵，好比在细菌肚子里酿酒。经过一系列的代谢途径，葡萄糖完成了从糖到乙醇的完美蜕变。
用于发酵的这些微生物要为我们源源不断地生产乙醇，所以它们对乙醇的耐受能力都是杠杠的，俗话说的好“没有金刚钻，不揽瓷器活！”
生物乙醇制备完成后，再与汽油按照1:9的比例混合，制成最终产品：“乙醇汽油”。
小二，味道不错诺澜扮演者，再来一升！（图片来源：https://weibo.com/）
按照这个比例混合的乙醇汽油有几个优点：一是由于勾兑量较少，目前汽车的发动机无需改造就可直接使用；二是乙醇的辛烷值较高，可以取代原先汽油中污染环境的含铅添加剂，并且改善汽油防爆性能；三是能有效消除火花塞、气门等部位积炭，避免因积炭过多而引起发动机故障，延长发动机使用寿命。
未来妖冥药尊，在生物质能源革命的舞台上大显身手的时候，大家可不要忘记热纤梭菌这位劳模呀！
参考资料：
[1] Bayer E A, Belaich J P大巫纪元, Shoham Y, et al. The cellulosomes: multienzyme machines for degradation of plant cell wall polysaccharides[J]. Annual Review of Microbiology, 2003, 58(1):521-554.
[2] Demain A L, Newcomb M, Wu J H. Cellulase, Clostridia, and Ethanol[J]. Microbiology & Molecular Biology Reviews Mmbr, 2005, 69(1):124.
[3] Doi R H, Kosugi A. Cellulosomes: plant-cell-wall-degrading enzyme complexes[J]. Nature Reviews Microbiology, 2004, 2(7):541-51.
[4] Klemm D, Heublein B, Fink H P, et al. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable aw material.[J]. Angewandte Chemie, 2005, 44(22):3358.
[5 ] Smith S P, Bayer E A, Czjzek M. Continually emerging mechanistic complexity of the multi-enzyme cellulosome complex[J]. Current Opinion in Structural Biology, 2017, 44:151-160.
[6] Umesh K H. Bio-Ethanol: Renewable Alternative Fuel[J]. 2017.
[7] Zheng Y, Lin H, Tsao G T. Pretreatment for cellulose hydrolysis by carbon dioxide explosion[J]. Biotechnology Progress, 1998, 14(6):890.
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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每年秋冬，秸秆焚烧都是个令人头疼的问题：
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虽然我们已经有了一些有效的监测手段，比如遥感卫星（参见地球上哪里“火了”，这些“千里眼”都能及时看见！），但终究是治标不治本。那么，有没有办法可以从根本上解决秸秆等农林废弃物问题？
有的！靠细菌！
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农林废弃物喜欢你讨厌你 ，在一般人眼里是垃圾，在科学家眼里却是放错地方的资源。
这些植物在生前通过光合作用积累了大量的纤维素，作为地球上最丰富的可再生资源，纤维素如果能够得到有效地利用，不仅能解决农林废弃物问题，而且可以缓解化石能源危机。
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虽然纤维素数量可观，但是利用起来却没那么容易，降解它就得费上九牛二虎之力。
自然界的进化就是一场博弈。为了防止微生物与酶的降解，植物在长期的进化中形成了强大的“抗降解屏障”。
纤维素是由若干葡萄糖残基通过β-1,4糖苷键连接而成的线性葡聚糖。纤维素链之间通过氢键网形成了连水分子都插不进去的结晶体。这是纤维素降解的第一道关卡。
在植物细胞壁中，纤维素被包埋在由果胶、木质素、半纤维素等组成的基质中，阻隔了纤维素酶与纤维素链的直接接触。相比纤维素，木质素和半纤维素的结构要更加复杂。这是纤维素降解的第二道关卡。
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首先要做的事情就是打造通向纤维素的“绿色通道”！
科学家们绞尽脑汁想出了各种方法来瓦解纤维素的抗降解屏障：
采用微波技术处理木质纤维素原料，破坏纤维素链间的氢键，提高其可及性；
采用酸性或碱性溶剂浸泡底物，可改变其中木质素的结构和含量；
采用蒸汽爆破的方法，可移除其中的半纤维素，减小木质纤维素的颗粒度并增加其多孔性。就算是固若金汤的城池，也非要给它炸出几个窟窿不可。
“劳模”登场
细菌往往背负着“致病”的骂名，实际上许多细菌都在为人类服务。
热纤梭菌就是其中的一位劳模。
热纤梭菌是谁？此君（菌）是一种耐热厌氧细菌，具有高效降解纤维素和产乙醇的能力，在生物能源领域具有重要价值。热纤梭菌对纤维素的高效降解主要依赖于其胞外的多酶复合体——纤维小体。我们可以在电镜下一睹她的芳颜，图中梭状体为热纤梭菌，钱今凡表面的白色突起就是纤维小体。
热纤梭菌及纤维小体（图片来源：中国科学院青岛生物能源与过程研究所）
在这场“战役”中，最初，热纤梭菌漫无目的地四处游荡，不时向周围发射几颗“炮弹”——纤维素酶。这些纤维素酶是游离酶，可以分泌到距离热纤梭菌很远的地方。如果周边环境中有纤维素存在，在纤维素酶的轰击下，纤维素链就会发生断裂金道妍，产生少量的纤维二糖和纤维糊精。
研究发现热纤梭菌能以细胞表面的碳水化合物结合模块（CBM）作为信号接收器,感应到环境中的“猎物信号”——纤维二糖。经过一系列信号传导，启动对“纤维小体”的合成。
细菌内部就像一个加工厂，热纤梭菌通过“传送带”——胞内蛋白转运系统将各个零部件跨膜运输到细胞表面，进行高效而有序的“组装”。由支架蛋白组成的骨架通过挂壁模块牢牢地固定在细菌的细胞壁上阳萌，形成了细菌的机械臂。各种纤维素水解酶通过相互识别的蛋白模块结合到支架上，如同挖掘机的铲斗一般。
纤维小体降解纤维素（图片来源：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/）
纤维小体“挖掘机”组装就绪，热纤梭菌就要开始干活了！细菌造的可不是一般的挖掘机，而是一台“超级挖掘机”！
一个纤维小体上载着不同种类的纤维素水解酶什么是尖锐湿疣 ，大致分为两类：一类是内切酶，负责从纤维素链内部进行切割；另一类是外切酶，负责从纤维素链末端进行切割。各种纤维素水解酶分工合作大国海魂，实现了纤维素的高效水解。
根据底物纤维素的状态，热纤梭菌可以调整纤维小体上各种水解酶的比例和空间分布，把酶与酶之间的协同效应发挥到了极致。
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此时分泌的纤维小体已经不再挂在细胞壁上，而是离开热纤梭菌到远方去开疆拓土。纤维小体一路向前挖过去涂序新，从而形成了一个由低到高的糖梯度，牵引着热纤梭菌向纤维素充裕的方向移动。原来这台挖掘机还自带“遥感系统”，热纤梭菌果然是个老司机。
纤维素变汽油何美细 ！
热纤梭菌通过预处理时打开的绿色通道更加便捷地接近纤维素，利用纤维小体这把利刃，切割纤维素链，最终收获的是一筐筐的“葡萄糖分子”。
生物乙醇生产工艺流程图（图片来源：http://image.baidu.com）
这些葡萄糖可不要急着吃，它们还有大用处。我们在微生物细胞内搭建起“微型工厂”，在这里对葡萄糖进行发酵，好比在细菌肚子里酿酒。经过一系列的代谢途径，葡萄糖完成了从糖到乙醇的完美蜕变。
用于发酵的这些微生物要为我们源源不断地生产乙醇，所以它们对乙醇的耐受能力都是杠杠的，俗话说的好“没有金刚钻，不揽瓷器活！”
生物乙醇制备完成后，再与汽油按照1:9的比例混合，制成最终产品：“乙醇汽油”。
小二，味道不错诺澜扮演者，再来一升！（图片来源：https://weibo.com/）
按照这个比例混合的乙醇汽油有几个优点：一是由于勾兑量较少，目前汽车的发动机无需改造就可直接使用；二是乙醇的辛烷值较高，可以取代原先汽油中污染环境的含铅添加剂，并且改善汽油防爆性能；三是能有效消除火花塞、气门等部位积炭，避免因积炭过多而引起发动机故障，延长发动机使用寿命。
未来妖冥药尊，在生物质能源革命的舞台上大显身手的时候，大家可不要忘记热纤梭菌这位劳模呀！
参考资料：
[1] Bayer E A, Belaich J P大巫纪元, Shoham Y, et al. The cellulosomes: multienzyme machines for degradation of plant cell wall polysaccharides[J]. Annual Review of Microbiology, 2003, 58(1):521-554.
[2] Demain A L, Newcomb M, Wu J H. Cellulase, Clostridia, and Ethanol[J]. Microbiology & Molecular Biology Reviews Mmbr, 2005, 69(1):124.
[3] Doi R H, Kosugi A. Cellulosomes: plant-cell-wall-degrading enzyme complexes[J]. Nature Reviews Microbiology, 2004, 2(7):541-51.
[4] Klemm D, Heublein B, Fink H P, et al. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable aw material.[J]. Angewandte Chemie, 2005, 44(22):3358.
[5 ] Smith S P, Bayer E A, Czjzek M. Continually emerging mechanistic complexity of the multi-enzyme cellulosome complex[J]. Current Opinion in Structural Biology, 2017, 44:151-160.
[6] Umesh K H. Bio-Ethanol: Renewable Alternative Fuel[J]. 2017.
[7] Zheng Y, Lin H, Tsao G T. Pretreatment for cellulose hydrolysis by carbon dioxide explosion[J]. Biotechnology Progress, 1998, 14(6):890.
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4、别再传我和外星人的“绯闻”了好吗？
5、授时——你知道“时间”是怎么传递的吗？
6、天宫一号离轨重返地球，会“击中”我们吗？
7、毒瘾在脑中疯狂飙车，你让我靠意志力停车？安一个刹车也许有救
8、以旧换新，商家是如何利用心理学知识套路你的？
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