全 文 ：Mar．2008
· 10·
生物加工过程
ChineseJournalofBioprocessEngineering
第6卷第2期
2008年3月
纤维素结合域的研究进展
欧阳嘉1，李 鑫1，王向明2，严 明2，徐 琳2
(1．南京林业大学化学工程学院，南京210037；
2．南京工业大学 制药与生命科学学院，南京210009)
摘要：纤维资源是生物界最为丰富的有机碳源，有效酶解植物纤维资源对于减缓能源枯竭和食品危机具有重要
意叉。然而，天然纤维素结构上的复杂多样性为酶的攻击和可及带来巨大困难。为了克服这一问题，自然界中能
够利用纤维原料的酶大多由相对独立的两种结构域、催化结构域(CD)、纤维素结合结构域(CBM)组成。其中，
CBM有助于酶与不溶性底物的结合，在纤维原料酶解中具有重要作用。CBM所具备的特殊的底物特异性不仅对
于提高酶与纤维的可及度，增强纤维素酶解效率，揭示纤维素酶解机制具有重要意义，而且应用在基因工程产品的
分离纯化，酶制剂的品质改善及细胞固定化等领域也有很好的发展前景。本文就近年来CBM的研究现状及其发
展前景进行了综述。
关键词：纤维素结合域；纤维素酶；吸附；特异性
中图分类号：Q786 文献标识码：A 文章编号：1672—3678(2008)02—0010—07
Advancesincellulose-bindingmodule
OUYANGJial，LIXinl，WANGXiang．min92，YANMin92，XULin2
(1．CollegeofChemicalEngineering，NanjingForestryUniversity，Nanjing210037，China；
2．CollegeofLifeScienceandPharmaceuticalEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，China)
Abstract：Celluloseisthemostabundantorganiccarbons urceinthebiosphere．Theenzymaticdegrada-
tionoftheplantcellwallisessentialforsolvingthecrisisofenergyandfood．However，thest uctureof
cellulosicsubstratesiscomplex，rigidandvariableinnature，theenzymesaccessandattackthesub-
stratesr lativelyinefficient．Inordertoovercometheseproblems，manyofthemthatutilizensolublesub—
stratesaremodular，comprisingcatalyticmodulesappendedtooneormorenon-catalyticcellulose—binding
modules(CBMs)．CBMspromotethassociationofthenzymewiththesubstrateandplaythecentral
roleinthenzymatichydrolysisofplantcellwall．Theligandspecificitydisplayedb thesemodulesisnot
onlysignificanttoimprovetheproximity，facilitatetheactivityandunderstandthemechanism，butalso
hasagoodforegroundinpurificationandmmobilizationoffusionproteins．Thepres ntreview8ummari—
zescurrentk owledgeofCBMsandtheirnfluencetothdegradationmechanismoftheligands．
Keywords：cellulose-bindingmodule(CBM)；cellulase；adsorption；specificity
每年植物干物质生成量高达1500亿t，其中
90％以上为木质纤维素原料‘11。有效利用植物纤
维资源对于减缓能源枯竭和食品危机具有重要意
义。但天然存在的纤维素是复杂多样的，其特有
收稿日期：2007-01-04
基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB707801)；国家高技术研究发展计_!l}l资助项目(2006AA020204，2007AA022213)
作者简介：欧阳嘉(1972一)，女，湖南湘潭人，副教授，研究方向：林产生物化工。E·mail：Jia_ouyan972@hotmail．com
万方数据
2008年3月 欧阳嘉等：纤维素结合域的研究进展
的结晶形态和木质化刚性结构给纤维素的彻底降
解带来了许多困难。目前已知微生物对纤维素的
降解是由一系列具有不同催化功能的酶和蛋白协
同作用完成的，酶在催化降解时遇到的异相传递
问题是限制纤维素酶解效率和速度的关键因素。
因此，有效提高酶与纤维的可及度，增强纤维素的
酶解效率已成为目前工业化酶解纤维质的必要
条件。
自然界中的纤维素降解酶种类繁多，大多是由
催化结构域(CD)，纤维素结合结构域(CBM)和连
接两者的高度糖基化连接桥组成的多功能域结
构【2J。其中，CBM作为最普遍的结构组成已有大量
的数据显示与酶和纤维素的有效结合密切相关，尤
其对结晶纤维素的降解是必须的”-4]。CBM不仅
对于提高酶与纤维的可及度，增强纤维素酶解效
率，揭示纤维素酶解过程具有重要意义，而且应用
在基因工程产品的生物纯化分离，品质改善及细胞
固定化等领域也有很好的发展前景"J。本文为近
十年来此领域研究进展的简述。
1 CBM的意义
CBM的主要作用是识别不同类型的纤维素分
子，他所表现出的底物结构特异性可以很好地解释
纤维素酶在不同纤维素面前表现出较大水解差异
的现象。由于天然纤维有非常复杂的超分子结构
(水溶性，无定形，结晶型)，针对不同的超分子结
构，酶与底物结合的效率和难度不同，从而导致酶
在不同纤维素面前水解效率不同。CBM的主要功
能是结合纤维素，他对纤维素的超分子结构具有特
异性，这暗示纤维素酶对不同形态纤维素水解能力
的差异可能是基于纤维素酶结构中的CBM对他们
的结合能力不同造成的。
CBM在纤维素降解系统中的广泛性和多样性对
于推动纤维素降解理论起到极大的促进作用。传统
观点认为，一个完整的纤维素酶系只需要含有作用方
式不同而又能相互协同催化水解纤维素的三类酶。
但是实际上由于天然纤维原料中纤维素的超分子形
态是多种多样的，针对不同形态的纤维素，需要有不
同底物特异性的酶来完成催化，因此，在每一类纤维
素酶中往往会有多个结构、功能和活性不同的组分。
以里氏木霉(zreesei)为例已知有2个外切酶和6个
内切酶直接作用于纤维素M1，其中7个具有CBM结
构，这些CBM高度同源，但底物特异性却各有差异。
CBM在纤维素降解酶系中的广泛性和多样性暗示天
然纤维素的降解可能首先是在不同CBM作用下完成
酶与纤维素的结合，然后才发生纤维素的水解。纤维
素酶的降解效率是通过不同CBM和不同CD之间的
协同作用综合表现的。
对CBM作用机理的研究为纤维素催化动力学
模型的建立提供了新的证据和思路。1950年
ReeseⅢ提出了C1一Cx纤维素降解理论，认为在降解
结晶纤维素体系中存在未知组分c1，他本身不具备
降解纤维素的催化能力，但可能作用于纤维素链间
的氢键或者其他一些不规则的键、薄弱键等等，从
而破坏纤维素的结构旧J。具有类似c1组分功能的
纤维素结合域的发现为该理论提供了有力的证据。
在纤维素降解前期，CBM可能担负了结合与激活纤
维素的作用。在此基础上纤维素酶解催化动力学
模型基于以下假设：CBM将不同类型的纤维素转变
为同一活性纤维素分子；活性分子在酶的催化作用
下降解为二糖分子；二糖分子在葡萄糖苷酶作用下
降解为葡萄糖。
2 CBM的分类
目前已知道的CBM已超过150种，他们不仅仅
存在于纤维素酶中，在与纤维质原料有关的木聚糖
酶、甘露聚糖酶和一些非水解蛋白的结构中也时有发
现一J。不同CBM的相对分子质量在0．4×104—2．0
×104不等，可以位于肽链的N端、C端或中间，对纤
维质原料表现出较强的吸附性和特异性”J。CBM的
分类一般按照氨基酸序列相似陛划分口J，已经确认的
有39种(见http：／／afmb．cnrsnlr8．fr／CAZY／index．ht—
m1)，主要类别的性质和典型结构见表1。CBMl为最
重要的真菌纤维素结合域，CBM2～6主要为细菌结
合域，其他CBM家族成员相对较少。
3 CBM的结构和功能
3．1真菌的纤维素结合域
真菌CBM只有一种，由于氨基酸序列高度同
源，结构也非常类似，CBM与糖类化合物之间的结
合位点普遍位于相对平坦的表面，主要是依赖于芳
香类氨基酸残基酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸与糖环
的作用¨1。。
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·12· 生物加工过程 第6卷第2期
真菌CBM成员中研究最为详细的是zreesei
的纤维素酶家族。1995年起Linder等[12。1副针对
CBHICBM结构和功能的关系进行了大量细致而广
泛的工作。研究发现其楔状结构上存在着一个相
对平坦的表面，平坦面上的一些芳香族氨基酸(Y5，
Y31，Y32，Q34)不仅空间位置的排布对于特异性结
合至关重要而且不同芳香氨基酸的替换也会影响
结合能力。对CBHI的CBMY5W的定点突变试验
证实EGI对纤维素的吸附力较CBHI高的主要原因
就是在重要的纤维素结合位点色氨酸替代了酪氨
酸的位置¨4。。除此之外，有试验表明次要位置的变
化也会影响CBM对不同大小底物的吸附能力，1997
年Davies¨钊发现模仿CBHICBM的结构对Hunicola
insolens的EGI的CBM进行双点突变($37W，
I珍9W)后，新酶对小分子可溶型纤维糊精的活力未
变，但对分子聚合度较大的PASC的吸附力增强，
Km下降近30％。
另外，真菌CBM与纤维素的吸附作用的大多是
可逆吸附，可以在简单条件下发生解吸Ⅲ。81。CB．
HI的CBM吸附能力受温度影响，温度越低，吸附作
用越强。
3．2细菌的纤维素结合域
、由于细菌纤维素结合域种类繁多，结构和功能
也呈现出多样化的趋势，其中研究较为详尽的是来
自粪碱纤维单胞菌(c．fimi)，荧光假单胞菌纤维亚
属(P．fluores)和热纤梭菌的CBM。
革兰氏阳性菌粪碱纤维单胞菌是目前研究最
广泛的纤维素降解菌，在其发酵液中已发现至少有
7条含CBM的肽链存在，5种纤维素酶CenA，CenB，
CenC，CenD和Cex都具有纤维素结合域∞J。CenA，
CenB，CenD和Cex都包含有属于CBM2家族的
CBM，结构与真菌CBM类似，相对平坦表面上3个
高度保守的色氨酸(W17，W54和W72)对于结合是
必须的¨9。，可与细菌微晶纤维素(BMCC)和部分结
晶的磷酸膨胀纤维素(PASC)结合。其中CEX的
CBM与吸附物之间的脱水作用是结合的主要推动
力，对结晶纤维素的吸附会产生大量的熵增口J。
CenC的CBM属于CBM4家族，结构存在明显的结
合凹槽，不能结合细菌微晶纤维素(BMCC)，与部分
结晶的磷酸膨胀纤维素(PASC)的结合主要发生在
无定形区。这类结合主要推动力是氢键和范德华
力，结合的过程伴随着大量的焓增啪J。将CenA的
CBM换成前者没有影响CenA对PASC的降解活
力，但导致新酶不能吸附BMCC和Avicel，对微晶纤
维素降解活力下降【2卜圳。
荧光假单胞菌的木聚糖酶XylA和纤维素酶
CelE都含有属于CBM2的CBM，他们对不溶性纤维
素的吸附超过可溶性寡糖Ⅲ】，紧密结合BMCC和
ASC。NMR和定点突变实验均证实其表面有3个色
氨酸(Trpl3，Trp34，Trp38)在表面共同形成一个芳
万方数据
2008年3月 欧阳嘉等：纤维素结合域的研究进展 · 13 ·
香环区带与纤维素分子发生吸附结合瞄J。另外，木
聚糖酶XylA在中段还存在一个属于CBMl0的
CBM，nmR结构显示其表面存在高密度芳香氨基
酸区‘261。
除此之外，热纤梭菌CipA的CBM属于CBM3
家族为9段铰链组成的果冻卷样的口三明治结构，
内含钙离子结合位点。表面有两个保守性较高的
区域，其中内含保守芳香和极性氨基酸的带状区域
暗示与纤维素的结合有关口7。。海栖热袍菌Xyll0A
的CBM是属于CBM9的，他对无定形和结晶纤维素
及一些水溶性低聚寡糖和单糖都有吸附ⅢJ。
4 CBM对纤维质原料降解的影响
CBM对于纤维素质原料降解的影响主要有3
方面：①接近效应，增强功能酶与不溶性纤维素的
可及度；②定位效应，确定酶与纤维素的结合位置；
③干扰效应，破坏纤维素规则刚性的超分子结构。
由于CBM具有结合纤维素的功能，可以通过
吸附作用增强酶对不溶性纤维素的可及度，扩大底
物附近的酶浓度，最终导致酶降解的表观效率提
高。大量的数据表明[5,29。3川对CBM的删减不影响
催化域对可溶性寡糖的降解，但会大大降低其对不
溶性底物的降解。例如荧光假单胞菌的CelE缺失
CBM后对Avicel的活力下降近4倍Ⅲ1。而一些高
吸附性能的CBM的融合可以增强改变那些原本对
不溶性纤维素没有活力的纤维素酶啪J。
CBM的定位效应主要体现在一部分存在于非
纤维素酶的植物细胞壁水解酶如木聚糖酶，甘露聚
糖酶中的CBM。这些非纤维素酶中的CBM主要是
通过定位效应将这些酶锚定在超分子的固定位置
上来，通常不会改变对单一底物的降解，但会增强
酶对复合底物的降解[3、2J。移除荧光假单胞菌XylA
的CBM不会改变酶对可溶性阿拉伯木聚糖的活力，
但造成酶降解复杂底物软木纸浆获得木糖的能力
明显下降口31，海栖热袍菌Xyll0A的CBM对聚糖的
吸附作用仅发生在糖的还原性末端，暗示他对植物
细胞壁的破坏区有特殊的定位作用∞J。
少量的CBM还发现在独立存在时还对纤维素
的超分子结构具有干扰效应。粪碱纤维单胞菌Ce-
nA的CBM独立存在时可以干扰纤维素的纤维结
构，释放出小的碎片，具有疏解结晶纤维素的能
力mJ，降解体系中添加独立的CBM有助于天然纤
维素结晶纤维素的降解，2003年Lemos等‘冽发现，
通过添加游离CBM，CBHI水解滤纸时还原糖产量
上升30％，降解微晶纤维素时糖量上升16％。
5 CBM应用展望
5．1 构建含CBM的杂合酶促进纤维素的降解
由于具有纤维素识别和结合功能的CBM在结
构和功能上是相对独立的，建立在基因重组技术上
的域交换(domainexchange)对于新酶的构建是切实
可行的m’鲫’32瑚。3引，CBM与负有催化功能的CD优
化组合获得杂合酶的思路为开发高效纤维素降解
酶提供了新的策略。将纤维荧光假单胞菌的CBM
与热纤梭菌内切纤维素酶EGE的催化域融合使其
降解结晶纤维素，细菌纤维素，棉花的能力提高2—
6倍Ⅲ1。将Clostridiumstercorarium木聚糖酶XylA
的CBM区(属于CBM6家族)融合在Ruminococcus
albus的内切纤维素酶Cel5的C端，获得的杂合酶
对降解滤纸的比活力达到原来的5倍啪J，与Ther-
mobifidus．舢c口的外切纤维素酶Cel6B协同使用降
解天然纤维素产糖率比两酶单独使用之和提高了
22％，结晶纤维素含量下降了50％ⅢJ。
5．2 蛋白质的分离纯化和细胞固定化技术
纤维素不仅来源丰富，价格便宜，而且生物安
全性好，是一种性能优良的生物材料。利用CBM吸
附纤维素的特性将纤维素应用到重组蛋白的分离
纯化和固定化技术领域具有一定的发展前景。吸
附性能不同的CBM应用的场合也不同。
对于与纤维素发生可逆吸附的CBM(CBMl，4
和9)，采用生物亲和吸附的原理将其作为一种亲和
吸附标签与活性蛋白融合，通过特异性吸附纤维素
达到分离目的的方法较之于传统亲和标签有诸多
优点：CBM较为独立的空间结构对蛋白生物性能的
干扰影响较小，纤维素作为吸附原料可以大幅降低
分离成本惮J。大肠杆菌重组表达的蛋白或多肽由
于N端融合了海栖热袍菌Xyll0A的CBM9可以直
接以CBM为高容量亲和标签选择性吸附到纤维原
料表面进行大规模分离纯化，这一技术不但简化了
纯化工艺，而且极大地降低了纯化成本惮。4叫；除此
之外，对于一些能直接结合可溶性纤维素的CBM4
和CBM9，含CBM的融合蛋白可以直接用双水相技
术分离到富含可溶性聚糖的水相【4卜训，以降低分离
纯化的成本。
万方数据
·14· 生物加工过程 第6卷第2期
另一方面，对于与纤维素发生不可逆吸附的
CBM(CBM2和3)，在固定化细胞和固定化酶上具
有可见的应用价值。目前已有利用纤维素固定化
含CBM杂合酶的成功例子【3J。Cex的CBM与蛋白
融合表达后的杂合酶可以直接吸附到Avicel(结晶
纤维素)上，一步完成纯化和固定化步骤m’43]。在
一些特殊情况下，这些含CBM杂合酶经过固定化
后，不仅省去了回收利用步骤，酶活还有不同程度
地提高Ⅲ埘J。将CBM锚定在细胞表面，利用纤维
素原料固定化细胞也有潜在的前景。来自粪纤单
胞菌的CBM锚定在细胞表面后大肠杆菌在较宽的
pH范围内保持良好的稳定性㈨_7|。
5．3 日化洗涤工业中酶制剂的功能定位
纤维素是许多商品的主要原料，在这些原料的
处理加工过程中采用CBM可以起到功能定位的作
用。利用CBM与纤维素间的强吸附性能构建含
CBM的果胶降解酶，将酶定位到含大量纤维素的衣
料上、使粗斜纹棉布的石磨砂洗工艺取得了良好的
效果¨J。另外，CBM的融合还可以加大洗涤用酶与
纺织物的结合，从而降低用量。偶联了CBM的芳香
剂的使用，可以大大降低洗衣粉中芳香剂的使
用量‘船]。
5．4纤维改性
CBM尽管对纤维没有直接的水解作用，但与纤
维原料交互作用可以破坏或改变纤维原有的结
构旧J，因而可用于纤维改性。苎麻纤维经过CBM
处理后表面粗糙度增加，有利于天然纤维的着
色啪1。1999年Cavaco—Paulo∞u通过实验证实经过
CBM2的处理染料对纤维的附着性增强。CBM在纸
张循环及二次纤维利用上也有潜在的应用价值。
用CBM或两个CBM(c．cellulovorans)融合形成的
纤维素十字蛋白(CCP)处理后的滤纸可以极大提高
纸张的强度，后者不仅效果优于前者，而且纸张疏
水性增强，不易潮湿"2‘。
6展望
纤维素结构域分子水平上的研究工作已经取
得了很大的进展，到目前为止约450个，他所表现的
超分子结构特异性对于了解纤维降解机制和构建
高效分解纤维素的杂合酶具有重要意义，相关的研
究还有待进一步进行。另外，利用CBM在重组蛋白
的分离纯化和固定技术上的应用也为纤维原料的
有效利用提供了新的途径，今后这方面将是CBM研
究的热点方向。
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英国发明“绿色”酿酒法
英国一个名为“追踪动力”的公司发明了一种用蒸汽酿制啤酒的方法，该公司科研人员运用一个加热和
喷射装置，将蒸汽以超音速速度注入装有酿造液体的大桶中，使液体骤然升温、翻动并分解成雾状滴，从而
促使酿制反应加速。用新技术可使麦芽汁煮沸过程中的能耗降低40％，由于酿制反应是在蒸汽中而不是在
流体中发生，因此产生的固体废物也相对较少，这样可以大大减少使用腐蚀性化学溶剂清洗酿酒容器内壁
的次数，被人们誉为“绿色”酿酒法。
美发明可加快生物降解的纳米杂交技术
美国康奈尔大学材料科学与工程系贾内利斯教授研究小组在美国化学学会最新出版的《生物大分子》
杂志上发文称，他们发明了一种新的可生物降解的“纳米杂交”聚羟基丁酯(PHB)塑料，其分解速度比现在
的任何塑料都要快。
PHB塑料可由细菌制得，被广泛认为是石化塑料的绿色替代品，可用于包装、农业和生物医药等。由于
PHB塑料的易碎性和其生物降解速度难以预测，尽管在20世纪80年代就有商业化的产品，但其实际应用还
很有限。
贾内利斯教授及其同事对PHB塑料进行了改良，他们将纳米级的黏土颗粒(或称纳米黏土)掺人PHB
塑料中，然后和未经改良的PHB塑料进行比较。结果发现，改良PHB塑料的强度明显高于未改良PHB塑
料。经“纳米杂交”的PHB塑料在7周后几乎全部分解，而作为其对照物的未改良PHB塑料却看不到分解
的迹象。研究人员还发现，通过控制PHB塑料中的纳米黏土掺杂量，还可对其生物降解速度进行精细调控。
(张春鹏)
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