本文關(guān)鍵詞：基于結(jié)構(gòu)信息技術(shù)和功能組學(xué)研究Thermobifida fusca降解特異性　出處：《山東大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：木質(zhì)纖維素作為自然界中儲(chǔ)量最豐富、分布最廣的可再生資源,實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素的資源化利用對解決人類當(dāng)前面臨的資源和環(huán)境問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是生物質(zhì)通過自身復(fù)雜的組成成分形成一道抗降解屏障,完成其高效降解需要依賴于微生物以及降解酶的協(xié)同作用。堆肥生境是一個(gè)高效降解生物質(zhì)的系統(tǒng),含有大量微生物種群,并且不同菌株形成酶系的特化,具備降解特定多糖的偏好性,可以協(xié)同完成生物質(zhì)的高效降解。因此,全面系統(tǒng)分析某一微生物的降解潛能與酶系優(yōu)化方向,對形成綠色高效的新轉(zhuǎn)化技術(shù)有重要意義。結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)和整合功能組學(xué)方法為所需分析提供了平臺(tái)。本文通過結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)平臺(tái)分析各類降解酶的活性架構(gòu)區(qū)域,探討它們識(shí)別底物的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和共性規(guī)律,通過酶識(shí)別底物的特異性和混雜性從而提出酶的協(xié)同降解方式,并利用整合組學(xué)深入分析了優(yōu)勢功能微生物Thermobifida fusca編碼的高效酶系組合,闡明其生長偏好性及高效降解機(jī)制,并本文取得的相關(guān)研究進(jìn)展如下:(1)活性架構(gòu)分析糖苷水解酶家族結(jié)合底物的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以主要糖苷水解酶家族為研究框架,選取9個(gè)家族的纖維素酶、木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶為研究對象。通過活性架構(gòu)區(qū)域的結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)活性架構(gòu)氨基酸出現(xiàn)頻率存在明顯的偏好性,并且這些偏好氨基酸著重分布在催化位點(diǎn)附近的亞位點(diǎn)上。對這些亞位點(diǎn)上的氨基酸進(jìn)行保守性的分析,結(jié)果顯示大多數(shù)氨基酸是保守的,Trp、His、Arg和Asn表現(xiàn)最明顯。保守氨基酸的多寡與酶分子識(shí)別底物的特異性有關(guān),保守氨基酸越多,特異性越強(qiáng)。纖維素酶家族GH5和GH12特異性差,可識(shí)別多種底物,而GH6、GH7和GH9家族特異性較強(qiáng);木聚糖的降解依賴于GH10和GH11家族對側(cè)鏈容忍位置的不同;而GH1的特異性可進(jìn)一步完成纖維寡糖的降解。(2)木質(zhì)纖維素輔助降解酶類氧化機(jī)制的生物信息學(xué)探究除了糖苷水解酶類外,還有一類輔助降解酶類,這些酶是實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素完全降解不可缺少的一部分。通過研究相關(guān)酶類的活性區(qū)域,即可能影響氧化還原過程電子傳遞效率的氨基酸組合,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域偏好出現(xiàn)的氨基酸有His/Cys/Glu和Trp/Tyr/Phe,它們帶有極性基團(tuán)或苯環(huán)可協(xié)助電子傳遞。分析這些氨基酸的保守性,發(fā)現(xiàn)電子受體區(qū)域的氨基酸明顯比電子供體區(qū)域更為保守,意味著這類酶對供體選擇具有特異性,而電子傳遞途徑所涉及的氨基酸保守度更高,且位于結(jié)構(gòu)內(nèi)部,保證了電子傳遞的快速性與安全性。另外,基于電子供體和受體之間的關(guān)聯(lián)性,提出了不同酶類之間可能會(huì)存在的協(xié)同和競爭模式,可指導(dǎo)酶的高效協(xié)同降解。(3)基因組分析 Thermobifidafusca降解潛能將T.fusca與其他18株木質(zhì)纖維素降解放線菌進(jìn)行木質(zhì)纖維素降解酶基因數(shù)目的比較,發(fā)現(xiàn)該菌編碼的CAZy基因數(shù)目是相對較少的,因此可徹底降解的底物種類有限,天然底物譜較窄。從降解的底物類型分析,T.fusca具有可徹底降解纖維素的全酶系,包括裂解多糖單加氧酶LPMO,其半纖維素降解酶系缺乏側(cè)鏈降解酶類,無木質(zhì)素降解酶。胞外酶分子近40%存在碳水化合物結(jié)合結(jié)構(gòu)域(CBM),其中CBM2家族出現(xiàn)頻率最高,CBM2是平面結(jié)合型,可識(shí)別結(jié)合結(jié)晶纖維素。(4)底物種類對Themobifida fusca胞外蛋白質(zhì)組的影響利用不同木質(zhì)纖維素類的底物培養(yǎng)T.fusca,測定其理化性質(zhì)及胞外分泌組的動(dòng)態(tài)變化,明確了該菌的最適誘導(dǎo)條件以及偏好降解的底物——纖維素和甘露聚糖,并確定了適宜濃度的二糖為主要糖苷水解酶大量分泌的誘導(dǎo)物,同時(shí)從胞外酶的分泌情況來看,T.fusca具有特化的纖維素降解酶,GH6與GH9家族分泌能力強(qiáng),AA10較弱。此外猜測該菌細(xì)胞膜上存在不溶性底物的感應(yīng)蛋白,從而誘導(dǎo)部分降解酶作為"先鋒部隊(duì)"分泌至胞外,隨后產(chǎn)生的二糖被菌體快速吸收利用誘導(dǎo)更多的降解酶分泌。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：Q939.9

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本文編號(hào)：1316298