Multilevel balancing of laccase biosynthesis and secretion in Bacillus subtilis enables efficient tobacco straw delignification
本研究表明，通过在枯草芽孢杆菌中实施涉及转录、翻译和分泌信号优化的多层级工程策略，可以显著增强胞外漆酶的产量，从而实现烟草秸秆的高效生物脱木质化。
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农民和食品加工商每年都会产生大量的植物废弃物，从玉米秆到烟草收获后留下的秸秆。这些材料中富含可以转化为燃料或有用化学物质的糖分，但大自然在它们周围构建了一道顽固的屏障。在植物细胞壁内部，糖分被锁在由木质素组成的坚硬、交联的屏障之后，木质素是一种赋予木材刚性的复杂物质。为了获取内部珍贵的糖分，科学家必须首先分解这层木质素屏障。一种极具前景的方法是使用一种叫做漆酶（laccase）的酶，它就像一种专门的工具，可以剥离木质素结构而不损坏下方的糖分。然而，大规模生产这种酶以投入实际应用一直是一个难题。作为漆酶天然来源的真菌生长缓慢且难以在实验室中进行人工干预，而其他常见的细菌则难以将这种酶分泌到细胞外进行发挥作用。
临沂大学及其他几所研究机构的研究人员致力于解决这一问题，他们试图将一种常见的土壤细菌——枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）转变为生产漆酶的高效工厂。这种细菌以易于培养及其能够将蛋白质推送到周围环境中的能力而闻名。团队的目标是微调这种细菌的内部机制，使其能够大量生产这种酶，并将其直接释放到液体培养基中。他们首先测试了来自包括真菌和其他细菌在内的五种不同版本的漆酶基因，以观察哪一种在这一特定宿主中表现最好。他们发现，一种天然存在于枯草芽孢杆菌自身的漆酶版本表现最为出色，但前提是该宿主细菌必须是经过基因改造的特定菌株，使其缺乏某些会分解这种新蛋白质的酶。
为了让细菌生产更多的酶，科学家们扮演了像工程师调整复杂机器设置的角色。首先，他们更换了开启基因的遗传“开关”，用一个对麦芽糖（一种糖）有反应的启动子取代了原有的开关。这使他们能够精确控制细菌开始工作的时机。接着，他们解决了主要瓶颈：酶被卡在了细菌细胞内部。由于天然版本的酶缺乏引导其排出的特定标签，团队在酶的前端附着了一个由八种不同“运输标签”（即信号肽）组成的标签之一。他们测试了每种标签，以观察哪一个能最有效地帮助酶排出细胞，最终发现了一种能显著提高释放到液体中酶含量的标签。最后，他们调整了制造蛋白质的“启动按钮”，即核糖体结合位点，以确保细胞的蛋白质制造机制以完美的速率运行——既不会快到导致系统堵塞，又足以最大限度地提高产出。
这一多步骤调优的结果是一个高度优化的细菌菌株，它能够生产出惊人数量的漆酶。当研究人员在大型三升罐中培养这些细菌并仔细喂养营养物质时，培养物的密度变得极大，且液体中的酶活性达到了每升 6,339.61 单位的峰值。这与之前的尝试相比是一个巨大的进步。为了证明这种高容量的酶确实有用，团队将含有该酶的粗液应用于真实的烟草秸秆。经过 48 小时的处理后，秸秆中的木质素含量下降了近 30%，从每克约 80.7 毫克降至 56.8 毫克。
秸秆的物理变化证实了该酶确实完成了预定目标。在显微镜下，未经处理的秸秆表面光滑且紧密堆积，看起来像是一层完整且无缝的薄片。经过酶处理后，表面变得粗糙、破碎且松散，表明保护性的木质素屏障已被成功拆解。进一步的化学分析显示，该酶精准地针对了木质素中的特定化学键并将其打破，同时使珍贵的糖成分基本保持完好。这项研究表明，通过仔细平衡基因激活、蛋白质运输和生产速度的各个步骤，可以将一种简单的细菌转变为分解农业废弃物的强大工具。这种方法为将坚韧的植物材料转化为可再生资源提供了一条可扩展且高效的路径，有望使生物燃料的生产过程更具可持续性和经济可行性。
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