探索基因暗物质后，他们从甘蔗渣里发现一把有神力的剪刀

李存璞2025年08月12日约 7 分钟

植物纤维素的高效且低成本的降解一直是一个难题。近期，科学家从“微生物暗物质”中找到了一把以铜为核心的剪刀酶，可以精准切割纤维素链，专一地产生纤维二糖酸。

撰文 | 李存璞（特种化学电源全国重点实验室教授，中国化学会科普工作委员会委员）

化石能源的枯竭风险和碳排放问题，是当今人类可持续发展的核心挑战。对此，人们想了很多解决方案，其中一项就是“生物燃料”。生物燃料本质来源于太阳能，作为化石能源替代方案来匹配现有工业应用体系，需要将植物这种生物体转化为易于利用的液态物质：但植物的重要组分纤维素的高效降解面临巨大的成本瓶颈——部分工艺成本甚至超过化石燃料。为突破此限制，科学家从自然宏基因组中发现一类以铜原子为活性中心的新型酶（CelOCE），其可精准切断纤维素链，将之转化为生物燃料，提供了未来清洁能源生产的新路径。

今天咱们来聊聊这把可以剪碎纤维素的“剪刀”。

稳定的纤维素

纤维素是植物界最丰富的结构多糖。它以坚固的链状微纤丝结构构成植物细胞壁的“天然钢筋骨架”，让树木挺拔、禾草高耸，是地球上储量最丰富的可再生碳资源。纤维素早已被广泛应用于纸张、麻布等日常物资当中；也是奶茶中椰果的口感来源（大多数奶茶中“椰果”的主要成分是细菌纤维素，而非真的椰子的果实。）

可问题也正出在这里：纤维素太稳定了。从分子角度来看，纤维素是由 β-1,4 糖苷键连接的葡萄糖单元组成。从图1中可以看到，纤维素中的羟基上下交替的连接方式，比淀粉里的 α-1,4 键更稳定、更难水解。更重要的是，纤维素链的这种结构可以通过大量氢键交联、形成高结晶区域，再自组装成微纤晶，进一步堆积成粗纤维，获得疏水、不可溶、抗酶解的效果。因此，哪怕是专门进化来吃植物的微生物，很难选择性地将其高效降解成单一产物。

图1 淀粉与纤维素结构^[1]。

想把植物变成燃料，首需破解纤维素的结晶铠甲，释放其中的葡萄糖用于发酵。传统酸/热处理法能耗高且污染重，而已有的酶解法效率受限。为了温和而高效地达成破坏纤维素结晶铠甲的目的，需要发明一把高效的“酶剪刀”将纤维素“剪碎”。

最近，科学家在甘蔗渣里找到这把剪刀。

藏在“微生物暗物质”里的宝藏

当然，这把剪刀很难从传统微生物中发现，因为纤维素现在的结构本来就是植物为了对抗微生物而逐渐演化来的。纤维素的β-1,4-糖苷键形成的高结晶微纤丝——其氢键网络需>15 MPa机械力或特异性酶才能破坏，相当于钢材强度的1/3。既然不容易从传统的已知微生物中寻找，科学家决定去探索被称为“基因暗物质”的神秘世界。

什么是“基因暗物质”？在自然界中，有超过90%的微生物至今无法被人工培养，它们的 DNA 虽然可以被测序读取，但却找不到任何已知功能标注，就像一段无法解读的外星语言。科学家将这类“未注释、未知功能的基因序列”统称为“microbial dark matter”（微生物暗物质），借用了天文学中“暗物质”的概念。

在这篇发表于Nature的论文中^[2]，来自巴西和法国等多地的科研团队，对巴西圣保罗夸塔的一家甘蔗磨坊的土壤样本进行了采集。这个甘蔗磨坊长期有甘蔗渣残留，在热带这种极端环境下，可能会有选择性富集具有纤维素降解潜力的微生物群落。因此，科学家采集了长期堆积甘蔗渣的土壤样本，通过元基因组学（Metagenomics）手段，不依赖已知数据库，而是直接从环境 DNA 中寻找新型蛋白基因。他们在数以百万计的无名基因中发现了一段可疑的编码片段，并通过蛋白结构预测与活性验证，最终确定它就是这把神奇的“剪刀酶”——被命名为Candidatus Telluricellulosum braziliensis（CelOCE）。

精准剪切纤维素的“铜酶”

CelOCE 是一种以铜原子为核心的金属酶（copper metalloenzyme），它能在温和条件下，精准切割纤维素链的第一个葡萄糖单元（C1位点），专一地产生纤维二糖酸（cellobionic acid），而不是杂乱的分子碎片。

图2 CelOCE的结构，其中棕色小球为Cu原子核心。

CelOCE之所以能完成这一精妙反应，与其特殊的结构密切相关：

它是一种双亚基酶，两个蛋白小球一边负责与纤维素结合、精准定位；另一边则能原位生成过氧化氢H₂O₂，为反应提供氧化力；

中心铜原子位于类似果冻卷蛋白结构内部，稳定而高效地参与电子转移。

酶的表面扁平而亲水，能与纤维素微晶表面紧密贴合。

图3 CelOCE催化氧化纤维素生成纤维素酸的机理，其中生成的H₂O₂将纤维素链精准氧化降解。

这套机制让CelOCE在实验中展现出了比传统纤维素酶高出一大截的效率。更神奇的是，科学家将该酶导入常见工业菌株：丝状真菌里氏木霉（Trichodermareesei）中进行表达后，结果发现即便是处理结构复杂的植物残渣，也能显著提高糖释放效率。

为什么这一发现如此重要？

这项成果之所以被 Nature 杂志认可刊发，并引发广泛关注，核心原因在于：纤维素的结构太牢靠了，而其单一的降解产物对人类具有重要意义。

CelOCE对纤维素的降解有着很强的特异性，而对木聚糖、几丁质几乎不降解，这使得人类有机会利用纤维素制备单一的生物燃料。并且，该研究团队进一步发现CelOCE隶属于全新的酶家族，与抗生素合成酶BacB同源性<30%，揭示了其存在独立于已知的AA9 LPMOs的氧化降解通路。更为重要的是，该研究团队在300L生物反应器中进行了放大验证：通过表达CelOCE的工程化里氏木霉，甘蔗渣糖化效率提升21%，葡萄糖产率从42%增至63%，时间缩短67%，表现出优异的工程运用前景。

这项研究，不仅让我们见证了一把神奇剪刀的诞生，更体现了人类对单一产物的追求。尽管木材、动物皮革、茅草等天然原料早已被人类广泛采用，但随着工业的发展，这些纯天然的材料难以满足社会对标准化、性能可控的产品的需求。我们可能会追求木制家具随机而丰富的纹理，但更多的时候，我们希望工业消费品是稳定、可靠的：特定的强度、特定的可加工性、特定的燃烧热值，等等。这些都要求人类需要采用稳定而统一的化学原料制备生产。

石化工业已经可以轻松实现统一而稳定化学品的生产，然而，其过程不够环境友好。利用天然原料来制备单一化学品自然就成为了重要的研究方向，比如把纤维素变成统一的纤维二糖酸：可以燃烧、可以做化学原料、又可以环境降解。

也许很近的未来，纤维素到纤维二糖酸的生物工厂就会被建立，进而重新构建可降解的材料新循环。更为关键的是，这可能成为人类利用生物质作为碳中和能量与物质载体的重要技术：植物利用太阳能将CO₂转化为纤维素，实现CO₂的固定和太阳能的存储；人类收集植物，利用CelOCE将纤维素转化为纤维二糖酸这一单一的化学品：既可以用于生物质燃料，通过不断发展的内燃机或者燃料电池进行能量释放；又可以作为功能分子应用于医药与食品领域，使用完毕后碳原子重新转化为CO₂，并再次被植物固定。人类利用了能量与物质，而CO₂不断被产生又消耗，碳中和的目标在这一CelOCE氧化降解酶的作用下，不断推动。

参考文献

[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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