摘要：纤维素是地球上最丰富的可再生聚合物，是生物质转化为燃料和化学品的核心。然而，纤维素的晶体微纤维结构及其与木质素和半纤维素的结合，使其在自然界中难以降解。尽管科学家已经开发出一系列水解酶和氧化酶体系，但降解效率依然受限。

纤维素是地球上最丰富的可再生聚合物，是生物质转化为燃料和化学品的核心。然而，纤维素的晶体微纤维结构及其与木质素和半纤维素的结合，使其在自然界中难以降解。尽管科学家已经开发出一系列水解酶和氧化酶体系，但降解效率依然受限。

近年来，氧化酶（如裂解多糖单加氧酶，LPMOs）的发现进一步拓展了纤维素降解的机制。尽管如此，大多数微生物在实验室条件下难以培养，其潜在的基因功能仍然未被充分探索，这些未被培养的微生物及其功能被称为微生物组的“暗物质”。

近日，巴西能源和材料研究中心（CNPEM）与法国和丹麦的合作伙伴在 Nature 期刊发表了一项突破性研究：“A metagenomic‘dark matter’enzyme catalyses oxidative cellulose conversion”，他们报道了一种全新的氧化酶 CelOCE（Cellulose Oxidative Cleaving Enzyme）。该酶的发现不仅改写了纤维素降解的传统认知，还为生物质能源的高效利用提供了新的可能性。

土壤样本采集自巴西圣保罗夸塔的一家甘蔗磨坊，其长期有甘蔗渣残留。这种极端环境选择性地富集了高度专业化的微生物群落，使其具备独特的木质纤维素降解能力。

通过宏基因组学分析，研究人员在一个此前未被描述的细菌类群 “Candidatus Telluricellulosum braziliensis” 中，发现了一系列未知功能的糖基水解酶。其中，一种被命名为 CelOCE 的金属酶因其独特的催化能力引起了研究人员的关注。与已知的纤维素氧化降解酶（如 LPMOs）不同，CelOCE 在作用机制上展现出前所未有的特点。

图 | 长期被甘蔗渣覆盖土壤的宏基因组

CelOCE 仅由 115 种氨基酸组成，因此更容易改造。该酶已获得专利，可能在一到四年内投入工业使用。

实验结果表明，CelOCE 作用于纤维素的 C1 端位，以氧化断裂的方式生成纤维二糖酸（cellobionic acid），而不是传统的纤维二糖或葡萄糖。这一特性使其在纤维素降解过程中具有更强的协同作用。当 CelOCE 与工业常用的真菌降解酶体系（如 Trichoderma reesei 分泌的纤维素酶）共同作用时，整体糖释放效率提高了 21%，其中对于结晶纤维素和无定形纤维素的糖化效率分别提升 8% 和 12.5%。这一成果不仅意味着更高效的纤维素转化，还可能降低工业酶制剂的使用成本，提高生物质能源的经济可行性。

图 | 与传统纤维素酶的互补作用

CelOCE 的独特催化能力来源于其特殊的结构。研究人员解析了其晶体结构，发现该酶采用了紧凑的果冻卷（jelly-roll）结构，并以二聚体的形式存在。更重要的是，每个单体都含有一个被深埋于结构内部的铜离子活性中心，与 LPMOs 这类氧化酶的开放式铜中心截然不同。这种封闭式的铜离子环境赋予 CelOCE 更强的稳定性，同时避免了过量活性氧物种造成的酶失活问题。此外，CelOCE 通过原位过氧化氢生成机制，自身催化 H₂O₂ 生成，使其能够在不依赖外源氧化剂的情况下高效催化氧化裂解反应。

这一发现不仅在基础生物化学领域具有重要意义，还在生物燃料和绿色化学产业中展现出广阔的应用前景。当前，全球生物质能源产业正寻求更高效、更可持续的纤维素降解策略，以推动第二代生物乙醇生产。传统纤维素酶体系的降解效率通常在 60%-70% 之间，而 CelOCE 的加入有望将这一数值提升至 80%，大幅提高生物质糖化的效率和经济性。

巴西 São Paulo 研究机构 Agência Fapesp 在其报道中指出，CelOCE 并不会直接参与乙醇的生产，而是作为催化增效剂，提升纤维素预处理阶段的效率，使得后续的发酵过程更加顺畅。“当我们谈论的是数亿吨农业废弃物转化为燃料时，即便是 1% 的效率提升，都意味着巨大的经济和环境效益。” 研究团队负责人 Mário Murakami 在接受采访时表示。

更重要的是，该研究已经在工业规模进行了初步验证。研究团队将 CelOCE 基因整合至工业用真菌 T. reesei 中，成功在 65 L 和 300 L 规模的生物反应器中进行发酵生产，并在真实工业条件下测试了其纤维素降解能力。结果显示，相较于目前广泛使用的 AA9 LPMO，CelOCE 表现出更优的催化效率，且更适合高固含量（15% 以上）的工艺条件。这一突破性成果为生物质能源的工业化应用提供了新的思路，即通过精准调控氧化酶的催化特性，优化纤维素降解体系，提高糖化和发酵效率，从而推动生物炼制技术向更可持续的方向发展。

图 | 纤维素识别和提出的裂解机制

从基础科学到产业应用，CelOCE 的发现代表了生物质降解研究的一次范式转换。它不仅拓展了我们对微生物氧化酶的认知，还揭示了一种此前未被发现的氧化降解策略。未来，该酶是否能通过蛋白质工程进一步优化？是否可以与其他氧化酶或水解酶协同作用，构建更高效的人工降解体系？这些问题都值得进一步探索。同时，该研究也再次凸显了宏基因组学在发现新型生物催化剂方面的巨大潜力。

这项研究不仅揭示了一种全新的纤维素氧化裂解酶，还为纤维素的生物降解提供了新的机制理解。CelOCE 的发现为生物质转化技术提供了新的工具，尤其是在生物燃料和生物材料生产领域具有重要的应用潜力。此外，该研究还展示了宏基因组学在挖掘微生物“暗物质”中的巨大潜力，为未来探索微生物多样性和功能提供了新的方向。

参考链接：

1.Santos. et al. A metagenomic ’dark matter’ enzyme catalyses oxidative cellulose conversion. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08553-z

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来源：生辉SciPhi