为了让啤酒“更好喝”，科学家研究了一种“变态”耐热酶

大麦、高粱等谷类植物是生产啤酒和饲料的重要原材料。这些谷类植物的胚乳细胞壁中蕴含着丰富的β-葡聚糖。β聚葡聚糖是一种由多个葡萄糖单元串联而成的多糖,是植物细胞壁的主要成分之一。

但在生产啤酒和饲料的过程中,这些大麦、高粱里的β-葡聚糖制造了一些小麻烦。比如在制作麦芽和酿造啤酒时,原料中的β-葡聚糖如果不能完全降解,就会使麦芽汁的粘度增大,降低啤酒过滤速度,并且在啤酒贮存过程中易引起沉淀。此外,大麦、高粱等作为禽畜饲料,具有较高的营养价值,但是其中存在的β-葡聚糖会增加动物肠道内食糜粘度,从而影响动物内源性消化酶与营养物质的接触,直接影响动物消化饲料的效率。

怎么办呢?科学家请出了β-葡聚糖的降解小能手——β-葡聚糖酶。它可以专一性切断β-葡聚糖中用来连接葡萄糖单元的β-1,3或β-1,4连键,从而产生3~5个葡萄糖单位的低聚糖及葡萄糖。

目前,工业生产中用到的β-葡聚糖酶通常是利用芽孢杆菌进行发酵生产得到的。这些β-葡聚糖酶的适用温度范围在30~60℃,最适温度范围50~55℃。然而,啤酒和饲料生产需要在高温(70~80℃)下进行。这可不妙,这些β-葡聚糖酶制剂怕热啊!所以,科学家一直在寻找比现有酶活性更高,更能耐受苛刻环境的高效β-葡聚糖酶。

但是,不怕热的β-葡聚糖酶会在哪儿呢?我们知道,酶通常是由微生物生产的,因此,那些可在高温环境下生长的微生物也许能给予我们帮助。Caldicellulosiruptor spp.是一类可以在高达75℃的极端环境下生长的嗜热细菌,而且,它们以β-葡聚糖作为食物,极有可能生产我们苦苦寻找的不怕热的β-葡聚糖酶。

日前,中国科学院青岛生物能源与过程研究所微生物资源团队李福利研究员与代谢物组学团队冯银刚研究员、仿真模拟团队姚礼山研究员以及清华大学王新泉教授合作,从极端嗜热微生物中发现了一种新型的β-葡聚糖酶。它能够特异性降解β-葡聚糖。最重要的是,新发现的酶最适温度高达80℃!而且在70℃作用1天,酶活力仍能保留一半。这些性能让它展现出了极高的工业应用价值。

要想知道新筛选的酶为什么能够特异性降解β-葡聚糖,就要从多糖开始讲起。自然界中存在丰富多样的多糖,比如淀粉、纤维素、β-葡聚糖等等。微生物要想吃掉这些多糖,首先需要生产出能够切断这些多糖的酶。因此,为了生存,微生物就必须进化出能够高效利用这些多糖的酶。

本研究中,新筛选的酶既能够切断β-葡聚糖中的β-1,3连键,也能切断β-1,4连键,而传统的β-葡聚糖酶只能切断β-葡聚糖中的β-1,4连键。那么,该酶是怎么分辨出哪个是β-葡聚糖,而哪个又是纤维素或者淀粉呢?大自然总是到处存在着神奇,新筛选的酶进化出了一个特殊的口袋状的凹槽,科学家也将其称为底物结合口袋。

这个口袋与传统的酶有很大的差异,新型β-葡聚糖酶的底物结合口袋有一个急剧的弯角,这正好能够容纳同样具有弯曲构象的β-葡聚糖底物,从而发挥最佳的降解功能。就像过山车一样,底物β-葡聚糖是一个弯曲的轨道,新筛选的酶就正好是能够卡在这个轨道上运行的火车。如果把新型β-葡聚糖酶比作火车,那么在该酶底物结合口袋里面的盐键,就像是固定火车车轮的轴,保证酶在高温环境中不变形。

科学家们揭示了微生物进化过程中,酶蛋白为了利用多种多样的植物细胞壁多糖,从而进化出特异而精巧的活性反应中心,完成降解利用多糖的使命。新型β-葡聚糖酶可以在工业环境中顺利行走在β-葡聚糖底物上,而且,还一边走一边将β-葡聚糖切断成可溶性更好的低聚糖,从而降低麦芽汁或动物肠道内食糜的粘度。同时,这列火车的“轮轴”能够保证该酶在70-80℃的环境中不会散架。该结果对工业生产中所需要的β-葡聚糖酶的筛选及改造提供了指导,比如,也给怕热的酶装上“轮轴”。

该工作已在线发表于经典的生物化学杂志 Biochemical Journal,本研究获得了科技部973计划、国家自然科学基金、山东省自然科学杰出青年基金、山东省重点研发计划等支持。