烏龜再度打敗了兔子！─纖維素分解的關鍵因子

烏龜再度打敗了兔子！─纖維素分解的關鍵因子
國立臺灣大學生命科學系范姜文榮編譯/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群副教授責任編輯

編譯來源：やはりカメはウサギに勝る

分解速度如「烏龜」般的纖維素酶，由於吸附性較強且能不斷進行分解反應，反而比如「兔子」般反應快速的纖維素酶更適合去分解結晶性纖維素。

纖維素¹是植物細胞壁的主要成分，是地球上現存最多的生物資源，因此世界各地許多研究者，正在研發將纖維素變換或製造成較易利用的酒精或有機酸。但纖維素具強鍵結的分子鏈，聚集成結晶構造，導致纖維素分解酵素-纖維素酶的分解效率低。

黴菌等絲狀真菌微生物，在自然界中以樹木或雜草為營養源，擔任分解者的角色。這些微生物能製造具有管狀構造的纖維素酶，它的特殊構造對分解結晶性纖維素相當重要。黴菌纖維素酶的管狀構造較其它絲狀真菌的纖維素酶為長，因此，兩者之纖維素酶的性質相異。但纖維素酶分解纖維素的反應，因為不溶性的結晶性纖維素與水溶性的產物形成固體與液體二相共存的「不均勻系」，實際反應作用分子與不反應分子同時混合在反應系統內，所以過去所使用的分解活性測定法，難以評估酵素分子的性質。

因此日本東京大學農學生命研究所與金沢大學的共同團隊，使用「高速原子力顯微鏡³」觀測各個酵素在分子層次上的運動模式。並研究黴菌Trichodarma reesei 所製造的纖維素酶TrCel7A、以及另一種真菌Phanerochaete chrysosporium 所製造的兩種纖維素酶 PcCel7C與 PcCel7D，藉由比較這3種酵素的分解反應速率和連續分解反應的次數，以解析影響結晶性纖維素分解的重要因子。

他們發現在結晶性纖維素越是反應快速的酵素，能夠進行連續分解反應的次數越少，該兩種性質具有「妥協(trade off)」的關係。並發現在結晶性纖維素上連續分解反應次數高的酵素，相較於反應快速的酵素，更為有效地分解結晶性纖維素。他們認為結晶性纖維素，因纖維素酶能進行分解的纖維素結構末端數量少，若能開始進行反應，便儘量產生更多的分解反應。

該研究結果以童話故事作譬喻，相對於有如「兔子」般反應快速的纖維素酶，吸附性較強、不斷進行分解反應，有如「烏龜」般的纖維素酶，較適合去分解結晶性纖維素。此成果有助未來設計特定酵素，透過有效率地轉換纖維素，達到有效利用植物體資源的目標。

關鍵詞 :

1. 纖維素(cellulose)：為植物細胞壁的主要結構-多醣(polysaccharide)，是地球上最豐富的生物聚合物(biopolymer)，其結構單位是β-1,4-linked D-glucose，結構穩定，不易水解，須藉由纖維素酶分解。
2. 不均勻系(heterogeneous catalysis):一般是指包括2個以上的相所組成之反應系。結晶性纖維素是不溶性固體，但受纖維素酶水解後的生成物-纖維雙醣為水溶性，纖維素受纖維素酶分解而形成固體與液體2相共存於一個反應系，稱為「不均勻系」。
3. 高速原子力顯微鏡：high-speed atomic force microscopy，比舊有原子力顯微鏡，更高速且細微進行觀察樣本表面的凹凸狀態，能直接觀測酵素1個分子的運動。

延伸閱讀 :

1.纖維酶(Cellulase)-上

http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=14081

2.纖維酶(Cellulase)-下

http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=14084