朱兆靜， 潘 虎， 郭 俊， 盧向陽， 王 翀， 田 云

(1.湖南省農(nóng)業(yè)生物工程研究所，湖南長沙 410128； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410128；3.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測研究所，西藏拉薩 850000)

纖維素作為植物細(xì)胞壁組分中的一種多糖物質(zhì)，也是木質(zhì)纖維素的重要組分之一，是目前地球上最豐富的可再生資源，開發(fā)利用價(jià)值極高，但由于與木質(zhì)素相互摻雜，導(dǎo)致極難被降解，造成了纖維素資源的極大浪費(fèi)[1]。纖維小體(cellulosome)一般由厭氧微生物產(chǎn)生，是由支架蛋白以及多種酶組裝成的大分子復(fù)合物，能夠高效地降解纖維素而引起廣泛關(guān)注。

Lamed等首次從超嗜熱厭氧微生物熱纖梭菌(Clostridiumthermocellum)中發(fā)現(xiàn)并鑒定了纖維小體復(fù)合體，分子大小為 2×106～6×106u，由14～50個(gè)亞基組成[2]。研究發(fā)現(xiàn)，纖維小體普遍存在于厭氧生物中，原因在于依靠高度組織化的細(xì)胞表面酶系統(tǒng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)酶的再循環(huán)利用和水解產(chǎn)物的直接同化，抵抗厭氧發(fā)酵產(chǎn)能的不足[3]。厭氧真菌[梨囊鞭菌屬(Piromyces)、根囊鞭菌屬(Orpinomyces)和新美鞭菌屬(Neocallimastix)]中也有纖維小體復(fù)合物的存在，但真菌系統(tǒng)中缺乏真正的黏附結(jié)構(gòu)域和錨定結(jié)構(gòu)域，與細(xì)菌纖維小體有著明顯的不同[4]。

纖維小體降解纖維素的高效性取決于其高級(jí)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，而不同微生物中的纖維小體結(jié)構(gòu)組分和組裝模式具有明顯的不同，導(dǎo)致纖維素降解能力的差異[5]。此外，纖維小體在蛋白質(zhì)等其他大分子的代謝以及細(xì)胞間的識(shí)別也發(fā)揮著一定的功能。本文根據(jù)最近的研究進(jìn)展，對(duì)纖維小體的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了綜述。

1 纖維小體的結(jié)構(gòu)

纖維小體一般是由2部分組成：一部分是含有錨定結(jié)構(gòu)域(dockerin)的多酶亞基，有催化作用；另一部分是含有1個(gè)或多個(gè)黏附結(jié)構(gòu)域(cohesin)的支架蛋白(scaffoldins)，有組裝作用[6]。纖維素酶通過錨定結(jié)構(gòu)域與支架蛋白上的黏附結(jié)構(gòu)域特異性結(jié)合，組裝成纖維素酶多酶復(fù)合體，其中支架蛋白上還含有1個(gè)纖維素結(jié)合域(CBM)，將底物纖維素結(jié)合于纖維素多酶復(fù)合體上。

1.1 支架蛋白

支架蛋白的種類和數(shù)量在不同物種中都有所不同，主要包括初級(jí)支架蛋白、錨定支架蛋白和銜接子支架蛋白(圖1-a)。根據(jù)支架蛋白的數(shù)量，可將纖維小體分為簡單纖維小體和高度結(jié)構(gòu)化的纖維小體[7]。一些嗜溫梭菌產(chǎn)生的纖維小體只含有單個(gè)初級(jí)支架蛋白，稱為簡單纖維小體(圖1-b)；而另一些細(xì)菌產(chǎn)生的纖維小體含有多個(gè)相互作用的支架蛋白，復(fù)雜程度較高，稱為高度結(jié)構(gòu)化的纖維小體(圖1-c)。

初級(jí)支架蛋白的表達(dá)量高，含有多個(gè)黏附結(jié)構(gòu)域以及纖維素結(jié)合域[8]。例如，在嗜纖維梭菌(Clostridiumcellulovorans)中，酶EngE上的錨定結(jié)構(gòu)域模塊與初級(jí)支架蛋白的黏附結(jié)構(gòu)域相互作用形成簡單纖維小體；此外，EngE酶還含有1個(gè)肽聚糖結(jié)合的Slayer同源(SLH)結(jié)構(gòu)域，可將其錨定到細(xì)胞表面[9]。高度結(jié)構(gòu)化的纖維小體包含多個(gè)支架和多種酶，其初級(jí)支架蛋白含有專門的錨定結(jié)構(gòu)域，通過與錨定支架蛋白的黏附結(jié)構(gòu)域相互作用來介導(dǎo)細(xì)胞表面附著。錨定支架蛋白通過專門的錨定模塊與細(xì)胞表面相互作用，非共價(jià)結(jié)合于SLH結(jié)構(gòu)域或共價(jià)結(jié)合于轉(zhuǎn)肽酶序列。銜接子支架蛋白存在于更復(fù)雜的纖維小體，介導(dǎo)支架蛋白-支架蛋白或支架蛋白-酶的連接，調(diào)節(jié)纖維小體的組裝[10]。單價(jià)銜接子支架蛋白(含單個(gè)黏附結(jié)構(gòu)域)可以改變整合到纖維小體中的酶的類型，并且可以根據(jù)底物的不同，插入不同活性的酶到不同的纖維小體復(fù)合物中；多價(jià)銜接子支架蛋白(含有多個(gè)黏附結(jié)構(gòu)域)可以作為擴(kuò)增纖維小體復(fù)合物和多個(gè)酶整合的平臺(tái)，能夠更有效地對(duì)底物進(jìn)行水解[11]。

目前，已知的纖維小體大多數(shù)是細(xì)胞錨定型的，而在熱纖維梭菌(C.thermocellum)中發(fā)現(xiàn)了固有的無支架蛋白的細(xì)胞游離型纖維小體，其結(jié)構(gòu)成分與細(xì)胞錨定型纖維小體不同[12]。

1.2 酶組分

纖維小體在支架蛋白存在的情況下，通過黏附結(jié)構(gòu)域-錨定結(jié)構(gòu)域相互作用將一系列不同的酶結(jié)合起來，使得各種纖維素相關(guān)的酶在彼此協(xié)調(diào)有序的空間里高效地發(fā)揮作用。纖維小體中的酶組分與游離纖維素酶系中的相似，都屬于糖苷水解酶家族，各組分之間具有協(xié)同作用。

最早發(fā)現(xiàn)的熱纖維梭菌纖維小體中含有多種纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶和果膠裂解酶、甘露聚糖酶、木聚糖酶、糖酯酶、幾丁質(zhì)酶和混合連接β-葡聚糖酶，具有高效打破結(jié)晶纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和降解纖維素鏈的能力[13]。Ravachol等闡明了解纖維梭菌(C.cellulolyticum)中13個(gè)GH9家族的外切葡聚糖苷酶的特征，這些酶依據(jù)各自獨(dú)立化的組織模塊表現(xiàn)出不同的酶活以及與其他外切葡聚糖苷酶多元化的協(xié)同效應(yīng)[14]。上述報(bào)道表明，纖維小體中酶的多樣性與協(xié)同性對(duì)于高效降解纖維素底物的重要性。其他糖苷水解酶(如GH5、GH10、GH11 和GH43等)是纖維小體的常見組件，為細(xì)菌提供了1個(gè)強(qiáng)大多樣的酶系，增加植物細(xì)胞壁多糖的水解。

纖維小體中除了含有錨定結(jié)構(gòu)域的纖維素降解酶外，還存在含有錨定結(jié)構(gòu)域的其他酶蛋白，如絲氨酸蛋白酶抑制劑[15]、蛋白酶[16]和expansin-like蛋白[17]。此類蛋白質(zhì)對(duì)于細(xì)菌的生理生化過程、纖維小體組分的裝配以及生物質(zhì)的降解都有一定的作用。

1.3 黏附結(jié)構(gòu)域-錨定結(jié)構(gòu)域

黏附結(jié)構(gòu)域-錨定結(jié)構(gòu)域之間通過非共價(jià)鍵連接，是纖維小體裝配的基礎(chǔ)。這種非共價(jià)作用是自然界中最強(qiáng)的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用之一，并且表現(xiàn)出物種特異性[18]。

目前，在厭氧微生物纖維小體中發(fā)現(xiàn)了3種黏附結(jié)構(gòu)域-錨定結(jié)構(gòu)域，分別為typeⅠ、typeⅡ和typeⅢ[19]。typeⅠ相互作用存在于含有錨定結(jié)構(gòu)域的催化亞基和初級(jí)支架蛋白的黏附結(jié)構(gòu)域之間；typeⅡ相互作用發(fā)生在2個(gè)支架蛋白中，通常是錨定支架蛋白和初級(jí)支架蛋白之間，但也有例外，例如，溶纖維素?cái)M桿菌(Bacteroidescellulosolvens)是唯一已知的具有相反相互作用模式的細(xì)菌，即其酶含有typeⅡ錨定結(jié)構(gòu)域，而scaffoldins包含typeⅠ錨定結(jié)構(gòu)域[20]。typeⅢ 黏附結(jié)構(gòu)域-錨定結(jié)構(gòu)域?qū)υ诜雌c球菌的纖維素酶體中發(fā)現(xiàn)，不同于在梭菌屬中觀察到的typeⅠ和typeⅡ[21]。

對(duì)黏附結(jié)構(gòu)域和錨定結(jié)構(gòu)域模塊的結(jié)構(gòu)研究表明，其對(duì)于界面識(shí)別起關(guān)鍵作用，負(fù)責(zé)纖維小體中模塊間的識(shí)別和綁定。typeⅠ的黏附結(jié)構(gòu)域通常由約150個(gè)氨基酸組成，并且以2個(gè)9-鏈β-折疊組成果凍卷的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中β-折疊上的5、6、3、8鏈與錨定結(jié)構(gòu)域相互作用[22]。typeⅢ黏附結(jié)構(gòu)域存在與 typeⅠ黏附結(jié)構(gòu)域類似的拓?fù)洚悩?gòu)結(jié)構(gòu)，其β-折疊的5、6、3、8鏈與錨定結(jié)構(gòu)域相互作用，而4鏈和8鏈之間包含2個(gè)“β轉(zhuǎn)角”，類似于typeⅡ型的黏附結(jié)構(gòu)域[23]；此外，typeⅢ黏附結(jié)構(gòu)域還有1個(gè)典型的13-鏈α螺旋被1個(gè)氨基酸末端循環(huán)所包圍，在其他類型的黏附結(jié)構(gòu)域中是不存在的[24]。

typeⅠ型的錨定結(jié)構(gòu)域含有約70個(gè)氨基酸并折疊成2個(gè)串聯(lián)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)包含1個(gè)特異性的Ca2+結(jié)合環(huán)和1個(gè)α-螺旋，在螺旋的10、11、17、18位點(diǎn)處存在保守的特征性“識(shí)別殘基”[25]。錨定結(jié)構(gòu)域通常通過2個(gè)α螺旋重復(fù)序列的其中1個(gè)α-螺旋與黏附結(jié)構(gòu)域相連，由此提出了typeⅠ型的雙重結(jié)合模式，即2個(gè)對(duì)稱重復(fù)的錨定結(jié)構(gòu)域以任意1個(gè)與黏附結(jié)構(gòu)域結(jié)合，且能以180°旋轉(zhuǎn)。這表明含有錨定結(jié)構(gòu)域的蛋白以2個(gè)不同的取向摻入復(fù)合物中，可以避免大的多組分的纖維素酶體中的空間沖突，促進(jìn)纖維素底物降解期間酶的構(gòu)象變化。typeⅡ的黏附結(jié)構(gòu)域-錨定結(jié)構(gòu)域?qū)Σ痪哂须p重結(jié)合模式，2個(gè)螺旋通過黏附結(jié)構(gòu)域-錨定結(jié)構(gòu)域界面處的幾種相互作用與黏附結(jié)構(gòu)域相連，表現(xiàn)出了單一結(jié)合模式[26]。模塊之間的結(jié)合模式?jīng)]有嚴(yán)格的界限，typeⅢ型相互作用可以是單一結(jié)合模式或雙重結(jié)合模式，如瘤胃菌屬typeⅢ的黏附結(jié)構(gòu)域-錨定結(jié)構(gòu)域是高度多樣的，并且在一些情況下，第2個(gè)鈣結(jié)合性錨定結(jié)構(gòu)域環(huán)的序列嚴(yán)重失真；生黃瘤胃球菌 (Ruminococcusflavefaciens)的Ctt A蛋白的typeⅢ的錨定結(jié)構(gòu)域含有2個(gè)額外的螺旋，以類似typeⅠ型相互作用的方式與Sca E 黏附結(jié)構(gòu)域相連。

1.4 纖維素結(jié)合模塊(CBM)

纖維素結(jié)合模塊能夠選擇性地將纖維小體錨定在纖維素底物上，在纖維素降解中發(fā)揮關(guān)鍵作用。幾種梭菌型纖維小體的支架蛋白都包含1個(gè)CBM3，位于支架蛋白的 N 端或者序列的中間[27]，例如，解纖維梭菌中的支架蛋白Cip C含有160個(gè)氨基酸組成CBM3，這與熱纖梭菌纖維小體支架蛋白的CBM3很相似。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，纖維小體中還存在CBM2家族的纖維素結(jié)合模塊，如，纖維放線菌(Acidothermuscellulolyticus)纖維小體細(xì)胞游離型的支架蛋白Sca M中含有3個(gè)typeⅠ型的黏附結(jié)構(gòu)域和2個(gè)CBM2家族；C.clariflavum的基因組中也發(fā)現(xiàn)了類似的編碼含CBM2的支架蛋白基因[28]。CBM2通常與游離的纖維小體相關(guān)，被分為2個(gè)亞家族，其中一個(gè)結(jié)合纖維素，而另一個(gè)結(jié)合木聚糖[29]。CBM2僅存在于游離型的支架蛋白上而不存在于細(xì)胞錨定的支架蛋白上，這表明其與CBM3有著不同的作用。

CBMs對(duì)纖維小體的功能有十分重要的影響，但并非僅作為支架蛋白的一部分。已知的纖維小體的纖維素結(jié)合蛋白僅含有CBM2和CBM3 2個(gè)家族，但在纖維小體的酶組分中CBM家族廣泛分布，其中CBM3、CBM6、CBM50家族的CBM占的數(shù)量較多，這些結(jié)構(gòu)與酶的催化作用密切相關(guān)[30]。

1.5 細(xì)胞表面結(jié)合模塊

纖維小體通過其支架蛋白上的細(xì)胞結(jié)合模塊與細(xì)菌細(xì)胞表面的肽聚糖共價(jià)相連，將其緊密地結(jié)合于細(xì)胞表面，且不同纖維小體的連接方式具有多樣性[31]。目前，對(duì)纖維小體附著于細(xì)胞表面的機(jī)制研究得比較少，但它對(duì)于纖維小體發(fā)揮生物學(xué)功能有重要的影響。

支架蛋白中最常見的細(xì)胞表面結(jié)合模塊是表層同源結(jié)構(gòu)域(S-layer homology module，SLH)，如熱纖維梭菌纖維小體的多個(gè)支架蛋白均帶有C端SLH 模塊，SLH 模塊將這些支架蛋白錨定在細(xì)胞表面上[32]。在解纖維梭菌的纖維小體中，SLH 模塊存在于纖維小體的酶組分 EngE中，支架蛋白中則含有4個(gè)親水性結(jié)構(gòu)域(HLD)，二者共同作用將纖維小體錨定于細(xì)胞表面[33]。此外，在瘤胃球菌的纖維小體中，其支架蛋白1個(gè)類似LPXTG 的基序(motif)，通過溶蛋白性裂解和分選酶(sortase)-介導(dǎo)的附著機(jī)制共價(jià)結(jié)合在細(xì)胞表面[34]。

1.6 纖維小體表達(dá)調(diào)控

纖維小體在底物碳源的降解方面發(fā)揮著重要功能，同時(shí)，碳源也是決定纖維小體組裝的重要因素，影響著酶亞單元的整合以及整體結(jié)構(gòu)。定量蛋白組學(xué)分析顯示，熱纖維梭菌中纖維小體的催化亞基的分布受底物依賴性的調(diào)節(jié)，纖維小體及其他一些碳水化合物活性酶(CAZymes)基因的表達(dá)在纖維素發(fā)酵期間上調(diào)現(xiàn)象[35]。其纖維小體的結(jié)構(gòu)組分包括支架蛋白CipA(Cthe3077)和7種錨定蛋白，含有Ⅱ型黏附結(jié)構(gòu)域的錨定蛋白有5種(Cthe1307/SdbA、Cth3078/OlpB、Cthe3079/Orf2p、Cthe0735、Cthe0717)，其余2種含有Ⅰ型黏附結(jié)構(gòu)域(Cthe3080/OlpA、Cthe0452)，其中編碼CipA、Orf2p、OlpB和OlpA的基因在纖維素發(fā)酵過程中表現(xiàn)出最大量的表達(dá)。在底物缺乏的情況下，跨膜 anti-σ因子與細(xì)胞中的σ因子相連，每種anti-σ因子也有1個(gè)類似CBM的組件，與外部培養(yǎng)基中多糖底物相結(jié)合。CBM與相應(yīng)的底物相結(jié)合導(dǎo)致 anti-σ因子改變構(gòu)象，釋放輔助性σ因子，然后與RNA聚合酶相互作用，從而啟動(dòng)纖維小體基因的轉(zhuǎn)錄[36]。

2 纖維小體的功能

2.1 纖維小體對(duì)植物細(xì)胞壁的降解

研究表明，纖維小體能夠在各種各樣的環(huán)境中高效地降解植物細(xì)胞壁。瘤胃是食草類動(dòng)物提供能量的主要場所，包含1個(gè)由古細(xì)菌、原生動(dòng)物、真菌和細(xì)菌等組成的復(fù)雜群落，參與植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)多糖的降解。瘤胃是迄今已知的纖維素降解能力最強(qiáng)的天然發(fā)酵罐，但實(shí)際上瘤胃中真正降解纖維素的微生物種類和數(shù)量都相對(duì)較少[37]。這些微生物中降解植物細(xì)胞壁的酶，多以纖維小體多酶復(fù)合體的形式黏附于細(xì)胞表面，緊密結(jié)合纖維素，由此降解架構(gòu)復(fù)雜且不溶性的大分子多糖底物。目前，瘤胃中唯一已知的產(chǎn)纖維小體的細(xì)菌是瘤胃球菌，其多酶復(fù)合物的組裝依靠內(nèi)部的黏附結(jié)構(gòu)域-錨定結(jié)構(gòu)域相互作用，通過其CBM模塊促進(jìn)底物靶向和細(xì)菌黏附，從而引發(fā)纖維素底物的解構(gòu)。

此外，在C.clarilavum纖維小體的基因組中，編碼含錨定結(jié)構(gòu)域蛋白的基因含有2個(gè)擴(kuò)展樣蛋白基因Clocl_1862和Clocl_1298，是首例在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的擴(kuò)展樣蛋白[17]。擴(kuò)展蛋白是一類非催化活性的小分子蛋白，它們能夠干擾植物細(xì)胞壁多糖的非共價(jià)結(jié)合，通過機(jī)械作用分離相關(guān)多糖鏈，從而松散底物的結(jié)晶度并破壞植物的細(xì)胞壁[38]。Kim等研究發(fā)現(xiàn)，利用大腸桿菌宿主異源表達(dá)植物擴(kuò)展蛋白的表達(dá)量非常低，然而，細(xì)菌源的擴(kuò)展蛋白具有高的表達(dá)量，使其在生物質(zhì)降解和應(yīng)用方面存在巨大的優(yōu)勢[39]。

2.2 纖維小體參與細(xì)胞代謝

Bensoussan等對(duì)牛瘤胃纖維小體的研究發(fā)現(xiàn)，含有錨定結(jié)構(gòu)域的491個(gè)蛋白擁有79種不同的功能：12種功能與碳水化合物活性酶相關(guān)，參與纖維素的降解；剩余56種與木質(zhì)纖維素的降解并不相關(guān)，其中部分與蛋白質(zhì)的分解代謝相關(guān)，在大分子的降解和清除中發(fā)揮著廣泛的作用。在這種情況下，纖維小體中的酶組分與經(jīng)典纖維素酶功能不同，其中大部分在蛋白質(zhì)的分解代謝以及微生物相互作用中發(fā)揮功能，例如含有錨定結(jié)構(gòu)域的D-丙氨酰-D-丙氨酸羧肽酶。D-丙氨酰-D-丙氨酸肽是細(xì)菌細(xì)胞壁的重要結(jié)構(gòu)組分，通常是各種抗生素的靶標(biāo)位點(diǎn)，是纖維小體參與瘤胃抵御微生物攻擊的一個(gè)途徑[40]。這些發(fā)現(xiàn)意味著含錨定結(jié)構(gòu)域的蛋白不僅參與纖維素的降解，還廣泛地參與細(xì)胞生命活動(dòng)過程。

3 纖維小體的人工改造及其應(yīng)用

3.1 微型人造纖維小體

隨著對(duì)纖維小體研究的深入，人們已經(jīng)意識(shí)到纖維小體在纖維素轉(zhuǎn)化中的價(jià)值，從而開啟了通過人工設(shè)計(jì)并改造天然纖維小體，使其更有效地作用于纖維素降解的新思路。人造纖維小體概念由Bayer等首次提出，即通過人工設(shè)計(jì)并利用基因工程手段改造天然纖維小體，進(jìn)而高效降解木質(zhì)纖維素?，F(xiàn)已有多個(gè)實(shí)驗(yàn)室采用DNA重組技術(shù)，構(gòu)建攜帶黏附域的支架蛋白基因和攜帶錨定域的纖維素酶基因，表達(dá)純化后在體外組裝成預(yù)期的多酶復(fù)合體。

Fierobe等設(shè)計(jì)了一系列含有2種黏附域的支架蛋白，在體外組裝了含2種纖維素酶的雙酶復(fù)合體，它的比活性比游離酶高了7倍[41]。為拓寬纖維小體酶的多樣性，增加對(duì)底物的降解，除利用來源于自然界多酶復(fù)合體中的纖維素酶外，還可通過基因工程方法將游離纖維素酶或非纖維素酶(β-葡糖苷酶、裂解多糖單加氧酶LPMO和植物細(xì)胞壁擴(kuò)展蛋白)摻入到人工設(shè)計(jì)的纖維小體中，例如，漆酶的整合提高了纖維素酶活性，從而為人造纖維小體介導(dǎo)的木質(zhì)素和纖維素的降解鋪平了道路[42]。

人工構(gòu)建的纖維小體能夠靈活地組合不同的纖維素酶和其他酶組分，能使酶的降解效率成倍地增加，對(duì)纖維素的工業(yè)化利用十分有利。此外，人造纖維小體啟發(fā)了其他復(fù)合物的設(shè)計(jì)，包括自組裝12酶和18酶復(fù)合物等，增加了在單個(gè)復(fù)合物中酶的數(shù)量和多樣性，可以設(shè)計(jì)出更多符合人們意愿的多酶復(fù)合體。

3.2 纖維小體用于生物質(zhì)開發(fā)利用

微型人造纖維小體可高效降解植物細(xì)胞壁多糖中難降解的纖維素類物質(zhì)，在發(fā)酵生產(chǎn)可再生能源過程中起著極其重要的作用，也為解決纖維素資源利用問題提供了思路。嗜熱纖維小體因其能提高反應(yīng)速率，增加工藝靈活性，降低污染風(fēng)險(xiǎn)等，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的潛力。Mora?s等將來源于熱纖維梭菌的熱穩(wěn)定性外切葡聚糖酶Cel48S、內(nèi)切葡聚糖酶Cel8A以及通過易錯(cuò)PCR法獲得的熱穩(wěn)定的β-葡糖苷酶，引入到人工纖維小體，結(jié)果顯示，“熱穩(wěn)定的”人工纖維小體的降解速率比常規(guī)設(shè)計(jì)的人工纖維小體增加了1.7倍。工程化的嗜熱菌劑完全降解生物質(zhì)須要引入更多的酶，而將植物生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料的理想嗜熱微生物尚未確定，故開發(fā)嗜熱統(tǒng)合生物工藝(consolidated bio-processing，CBP)，將產(chǎn)纖維小體的嗜熱微生物用于生產(chǎn)生物燃料是一個(gè)優(yōu)選的策略[43]。

CBP技術(shù)的提出，促使纖維小體作用于植物源的生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃料的發(fā)展。該技術(shù)是將纖維素酶和半纖維素酶的生成、纖維素和半纖維素多糖成分的水解以及發(fā)酵生成生物燃料等一系列生物催化過程組合在一起，是由1種或1組微生物完成的生產(chǎn)工藝[44]?，F(xiàn)已將畢赤酵母(Pichiapastoris)[45]、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)[46]和 植物乳桿菌(Lactobacilluslantarum)[47]等幾種微生物工程化，在其細(xì)胞表面錨定微纖維小體或人工纖維小體，用于將纖維素酶促轉(zhuǎn)化成糖和乳酸。上述研究表明，纖維小體組分可以在外來生物體中進(jìn)行功能性組裝，用于從有機(jī)廢物中高效的生產(chǎn)生物燃料。

4 總結(jié)與展望

纖維小體能夠高效降解植物細(xì)胞壁，在發(fā)酵生產(chǎn)可再生能源過程中起著極其重要的作用，也為解決纖維素資源利用問題提供了思路。對(duì)纖維小體的研究具有重要的實(shí)踐意義和廣闊的應(yīng)用前景。目前，纖維小體的研究主要集中于基因及基因組水平，尋找纖維小體產(chǎn)生菌以及相關(guān)蛋白的表達(dá)方面，對(duì)纖維小體超分子結(jié)構(gòu)與功能的研究相對(duì)缺乏。未來的研究應(yīng)該致力于纖維小體超分子功能，探索其酶組分如何協(xié)同高效降解天然纖維素，以及它們?cè)谏鷳B(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮的作用。同時(shí)，應(yīng)繼續(xù)深入了解不同來源的纖維小體在組成上的同源性和多樣性、纖維小體分泌和組裝過程等，為工程改造纖維小體和利用纖維素資源提供更多的理論基礎(chǔ)。