探索基因暗物質後，他們從甘蔗渣裏發現一把有神力的剪刀_風聞

植物纖維素的高效且低成本的降解一直是一個難題。近期，科學家從“微生物暗物質”中找到了一把以銅為核心的剪刀酶，可以精準切割纖維素鏈，專一地產生纖維二糖酸。

撰文 | 李存璞（特種化學電源全國重點實驗室教授，中國化學會科普工作委員會委員）

化石能源的枯竭風險和碳排放問題，是當今人類可持續發展的核心挑戰。對此，人們想了很多解決方案，其中一項就是“生物燃料”。生物燃料本質來源於太陽能，作為化石能源替代方案來匹配現有工業應用體系，需要將植物這種生物體轉化為易於利用的液態物質：但植物的重要組分纖維素的高效降解面臨巨大的成本瓶頸——部分工藝成本甚至超過化石燃料。為突破此限制，科學家從自然宏基因組中發現一類以銅原子為活性中心的新型酶（CelOCE），其可精準切斷纖維素鏈，將之轉化為生物燃料，提供了未來清潔能源生產的新路徑。

今天咱們來聊聊這把可以剪碎纖維素的“剪刀”。

穩定的纖維素

纖維素是植物界最豐富的結構多糖。它以堅固的鏈狀微纖絲結構構成植物細胞壁的“天然鋼筋骨架”，讓樹木挺拔、禾草高聳，是地球上儲量最豐富的可再生碳資源。纖維素早已被廣泛應用於紙張、麻布等日常物資當中；也是奶茶中椰果的口感來源（大多數奶茶中“椰果”的主要成分是細菌纖維素，而非真的椰子的果實。）

可問題也正出在這裏：纖維素太穩定了。從分子角度來看，纖維素是由 β-1,4 糖苷鍵連接的葡萄糖單元組成。從圖1中可以看到，纖維素中的羥基上下交替的連接方式，比澱粉裏的 α-1,4 鍵更穩定、更難水解。更重要的是，纖維素鏈的這種結構可以通過大量氫鍵交聯、形成高結晶區域，再自組裝成微纖晶，進一步堆積成粗纖維，獲得疏水、不可溶、抗酶解的效果。因此，哪怕是專門進化來吃植物的微生物，很難選擇性地將其高效降解成單一產物。

圖1 澱粉與纖維素結構[1]。

想把植物變成燃料，首需破解纖維素的結晶鎧甲，釋放其中的葡萄糖用於發酵。傳統酸/熱處理法能耗高且污染重，而已有的酶解法效率受限。為了温和而高效地達成破壞纖維素結晶鎧甲的目的，需要發明一把高效的“酶剪刀”將纖維素“剪碎”。

最近，科學家在甘蔗渣裏找到這把剪刀。

藏在“微生物暗物質”裏的寶藏

當然，這把剪刀很難從傳統微生物中發現，因為纖維素現在的結構本來就是植物為了對抗微生物而逐漸演化來的。纖維素的β-1,4-糖苷鍵形成的高結晶微纖絲——其氫鍵網絡需>15 MPa機械力或特異性酶才能破壞，相當於鋼材強度的1/3。既然不容易從傳統的已知微生物中尋找，科學家決定去探索被稱為“基因暗物質”的神秘世界。

什麼是“基因暗物質”？在自然界中，有超過90%的微生物至今無法被人工培養，它們的 DNA 雖然可以被測序讀取，但卻找不到任何已知功能標註，就像一段無法解讀的外星語言。科學家將這類“未註釋、未知功能的基因序列”統稱為“microbial dark matter”（微生物暗物質），借用了天文學中“暗物質”的概念。

在這篇發表於Nature的論文中[2]，來自巴西和法國等多地的科研團隊，對巴西聖保羅誇塔的一家甘蔗磨坊的土壤樣本進行了採集。這個甘蔗磨坊長期有甘蔗渣殘留，在熱帶這種極端環境下，可能會有選擇性富集具有纖維素降解潛力的微生物羣落。因此，科學家採集了長期堆積甘蔗渣的土壤樣本，通過元基因組學（Metagenomics）手段，不依賴已知數據庫，而是直接從環境 DNA 中尋找新型蛋白基因。他們在數以百萬計的無名基因中發現了一段可疑的編碼片段，並通過蛋白結構預測與活性驗證，最終確定它就是這把神奇的“剪刀酶”——被命名為Candidatus Telluricellulosum braziliensis（CelOCE）。

精準剪切纖維素的“銅酶”

CelOCE 是一種以銅原子為核心的金屬酶（copper metalloenzyme），它能在温和條件下，精準切割纖維素鏈的第一個葡萄糖單元（C1位點），專一地產生纖維二糖酸（cellobionic acid），而不是雜亂的分子碎片。

圖2 CelOCE的結構，其中棕色小球為Cu原子核心。

CelOCE之所以能完成這一精妙反應，與其特殊的結構密切相關：

它是一種雙亞基酶，兩個蛋白小球一邊負責與纖維素結合、精準定位；另一邊則能原位生成過氧化氫H2O2，為反應提供氧化力；

中心銅原子位於類似果凍卷蛋白結構內部，穩定而高效地參與電子轉移。

酶的表面扁平而親水，能與纖維素微晶表面緊密貼合。

圖3 CelOCE催化氧化纖維素生成纖維素酸的機理，其中生成的H2O2將纖維素鏈精準氧化降解。

這套機制讓CelOCE在實驗中展現出了比傳統纖維素酶高出一大截的效率。更神奇的是，科學家將該酶導入常見工業菌株：絲狀真菌里氏木黴（Trichodermareesei）中進行表達後，結果發現即便是處理結構複雜的植物殘渣，也能顯著提高糖釋放效率。

為什麼這一發現如此重要？

這項成果之所以被 Nature 雜誌認可刊發，並引發廣泛關注，核心原因在於：纖維素的結構太牢靠了，而其單一的降解產物對人類具有重要意義。

CelOCE對纖維素的降解有着很強的特異性，而對木聚糖、幾丁質幾乎不降解，這使得人類有機會利用纖維素製備單一的生物燃料。並且，該研究團隊進一步發現CelOCE隸屬於全新的酶家族，與抗生素合成酶BacB同源性<30%，揭示了其存在獨立於已知的AA9 LPMOs的氧化降解通路。更為重要的是，該研究團隊在300L生物反應器中進行了放大驗證：通過表達CelOCE的工程化里氏木黴，甘蔗渣糖化效率提升21%，葡萄糖產率從42%增至63%，時間縮短67%，表現出優異的工程運用前景。

這項研究，不僅讓我們見證了一把神奇剪刀的誕生，更體現了人類對單一產物的追求。儘管木材、動物皮革、茅草等天然原料早已被人類廣泛採用，但隨着工業的發展，這些純天然的材料難以滿足社會對標準化、性能可控的產品的需求。我們可能會追求木製傢俱隨機而豐富的紋理，但更多的時候，我們希望工業消費品是穩定、可靠的：特定的強度、特定的可加工性、特定的燃燒熱值，等等。這些都要求人類需要採用穩定而統一的化學原料製備生產。

石化工業已經可以輕鬆實現統一而穩定化學品的生產，然而，其過程不夠環境友好。利用天然原料來製備單一化學品自然就成為了重要的研究方向，比如把纖維素變成統一的纖維二糖酸：可以燃燒、可以做化學原料、又可以環境降解。

也許很近的未來，纖維素到纖維二糖酸的生物工廠就會被建立，進而重新構建可降解的材料新循環。更為關鍵的是，這可能成為人類利用生物質作為碳中和能量與物質載體的重要技術：植物利用太陽能將CO2轉化為纖維素，實現CO2的固定和太陽能的存儲；人類收集植物，利用CelOCE將纖維素轉化為纖維二糖酸這一單一的化學品：既可以用於生物質燃料，通過不斷發展的內燃機或者燃料電池進行能量釋放；又可以作為功能分子應用於醫藥與食品領域，使用完畢後碳原子重新轉化為CO2，並再次被植物固定。人類利用了能量與物質，而CO2不斷被產生又消耗，碳中和的目標在這一CelOCE氧化降解酶的作用下，不斷推動。

參考文獻

[1] https://biology.stackexchange.com/questions/44447/starch-vs-cellulose-what-are-the-differences-between-alpha-and-beta-glucose-rin

[2] Santos, C.A., Morais, M.A.B., Mandelli, F. et al. A metagenomic ‘dark matter’ enzyme catalyses oxidative cellulose conversion. Nature639, 1076–1083 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08553-z

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