木质纤维素作为自然界中储量最丰富、分布最广的可再生资源,实现木质纤维素的资源化利用对解决人类当前面临的资源和环境问题具有重要的现实意义。但是生物质通过自身复杂的组成成分形成一道抗降解屏障,完成其高效降解需要依赖于微生物以及降解酶的协同作用。堆肥生境是一个高效降解生物质的系统,含有大量微生物种群,并且不同菌株形成酶系的特化,具备降解特定多糖的偏好性,可以协同完成生物质的高效降解。因此,全面系统分析某一微生物的降解潜能与酶系优化方向,对形成绿色高效的新转化技术有重要意义。结构生物信息学和整合功能组学方法为所需分析提供了平台。本文通过结构生物信息学平台分析各类降解酶的活性架构区域,探讨它们识别底物的结构基础和共性规律,通过酶识别底物的特异性和混杂性从而提出酶的协同降解方式,并利用整合组学深入分析了优势功能微生物Thermobifida fusca编码的高效酶系组合,阐明其生长偏好性及高效降解机制,并本文取得的相关研究进展如下:(1)活性架构分析糖苷水解酶家族结合底物的结构基础以主要糖苷水解酶家族为研究框架,选取9个家族的纤维素酶、木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶为研究对象。通过活性架构区域的结构生物信息学分析,发现活性架构氨基酸出现频率存在明显的偏好性,并且这些偏好氨基酸着重分布在催化位点附近的亚位点上。对这些亚位点上的氨基酸进行保守性的分析,结果显示大多数氨基酸是保守的,Trp、His、Arg和Asn表现最明显。保守氨基酸的多寡与酶分子识别底物的特异性有关,保守氨基酸越多,特异性越强。纤维素酶家族GH5和GH12特异性差,可识别多种底物,而GH6、GH7和GH9家族特异性较强;木聚糖的降解依赖于GH10和GH11家族对侧链容忍位置的不同;而GH1的特异性可进一步完成纤维寡糖的降解。(2)木质纤维素辅助降解酶类氧化机制的生物信息学探究除了糖苷水解酶类外,还有一类辅助降解酶类,这些酶是实现木质纤维素完全降解不可缺少的一部分。通过研究相关酶类的活性区域,即可能影响氧化还原过程电子传递效率的氨基酸组合,发现该区域偏好出现的氨基酸有His/Cys/Glu和Trp/Tyr/Phe,它们带有极性基团或苯环可协助电子传递。分析这些氨基酸的保守性,发现电子受体区域的氨基酸明显比电子供体区域更为保守,意味着这类酶对供体选择具有特异性,而电子传递途径所涉及的氨基酸保守度更高,且位于结构内部,保证了电子传递的快速性与安全性。另外,基于电子供体和受体之间的关联性,提出了不同酶类之间可能会存在的协同和竞争模式,可指导酶的高效协同降解。(3)基因组分析 Thermobifidafusca降解潜能将T.fusca与其他18株木质纤维素降解放线菌进行木质纤维素降解酶基因数目的比较,发现该菌编码的CAZy基因数目是相对较少的,因此可彻底降解的底物种类有限,天然底物谱较窄。从降解的底物类型分析,T.fusca具有可彻底降解纤维素的全酶系,包括裂解多糖单加氧酶LPMO,其半纤维素降解酶系缺乏侧链降解酶类,无木质素降解酶。胞外酶分子近40%存在碳水化合物结合结构域(CBM),其中CBM2家族出现频率最高,CBM2是平面结合型,可识别结合结晶纤维素。(4)底物种类对Themobifida fusca胞外蛋白质组的影响利用不同木质纤维素类的底物培养T.fusca,测定其理化性质及胞外分泌组的动态变化,明确了该菌的最适诱导条件以及偏好降解的底物——纤维素和甘露聚糖,并确定了适宜浓度的二糖为主要糖苷水解酶大量分泌的诱导物,同时从胞外酶的分泌情况来看,T.fusca具有特化的纤维素降解酶,GH6与GH9家族分泌能力强,AA10较弱。此外猜测该菌细胞膜上存在不溶性底物的感应蛋白,从而诱导部分降解酶作为"先锋部队"分泌至胞外,随后产生的二糖被菌体快速吸收利用诱导更多的降解酶分泌。