作者：Hang Yuan, Yun Hu, Jinguang Hu, Fubao Sun*, Guodong Liu*

01 论文信息

论文信息

Hang Yuan, Yun Hu, Jinguang Hu, Fubao Sun and Guodong Liu. A new piece of the cellulose biodegradation puzzle[J].Green Carbon, 2025.

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https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.09.001

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A new piece of the cellulose biodegradation puzzle

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Green Carbon评述 | Nature：纤维素生物降解的一块新“拼图”

02 背景简介

木质纤维素类生物质是地球上最丰富的可再生资源，但同时也是人类“最难利用”的天然高分子之一。由于其结构高度结晶、复杂紧密，致使目前工业化生物精炼过程仍然面临着纤维素生物降解缓慢和酶用量高等技术瓶颈。通常认为纤维素的酶促降解主要依赖内切酶（endoglucanase）、外切酶/纤维二糖水解酶（cellobiohydrolase）、β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase）等三类水解酶的协同作用，但2010年LPMO（lytic polysaccharide monooxygenase，裂解性多糖单加氧酶）的详细表征，使人们认识到氧化裂解在纤维素生物降解中扮演着重要角色。然而即使加上LPMO，目前的人工酶解体系仍未能充分发挥出自然界降解纤维素的巨大潜力。大量“暗物质”酶类有待探索，它们可能正是补齐纤维素高效降解拼图的关键。

巴西国家生物可再生能源实验室的研究团队于Nature发表论文“A metagenomic ‘dark matter’ enzyme catalyses oxidative cellulose conversion”，发现了一种前所未见、作用方式新颖的纤维素氧化裂解酶——CelOCE（Cellulose Oxidative Cleaving Enzyme）。江南大学孙付保教授、山东大学刘国栋教授于Green Carbon发表题为“A new piece of the cellulose biodegradation puzzle”评述文章，对该发现进行了分析点评，强调了其在纤维素高效生物降解的机制解析和产业应用上的重大意义。

03 评述内容

发现新型纤维素氧化裂解酶CelOCE，补齐纤维素降解“缺失板块”

研究团队通过分析一个甘蔗渣降解的自然微生物群落，从宏基因组“暗物质”序列中鉴定出一种全新的纤维素氧化裂解酶CelOCE。该酶以外切方式特异攻击纤维素链末端，并对葡萄糖单元C1位点进行氧化裂解，产物几乎全部为纤维二糖酸。CelOCE的发现补充了自然界存在纤维素 “外切氧化酶” 的研究空白，完善了纤维素酶解体系的整体图景。

发现CelOCE通过同源二聚体结构实现“自供H₂O₂”氧化循环，揭示新的反应策略

结构解析显示，CelOCE采用紧凑的果冻卷折叠，铜离子深埋于活性口袋内，是一种完全不同于现有LPMO的新型金属酶。有趣的是，CelOCE以同源二聚体形式工作：一个亚基结合到纤维素链末端完成氧化断裂，另一个亚基则可在酶内部原位生成H₂O₂以便作为氧化反应必需共底物，呈现出区别于常见LPMO的全新氧化降解模式。

尝试CelOCE的实际应用

研究团队利用CRISPR/Cas9技术将CelOCE的编码基因整合至里氏木霉的基因组中，实现了其与宿主自身纤维素酶的共分泌。结果证实CelOCE可稳定分泌，并显著增强了纤维素酶系对汽爆预处理甘蔗渣底物的降解能力，最终使工业化里氏木霉菌株的纤维素酶系糖化效率提升20%以上，在已高度优化的工业体系中这属于罕见的两位数增幅。

总结与展望：CelOCE将开启新一代氧化降解酶的探索与工程化应用

CelOCE的发现揭示了自然界中尚未被认识的纤维素氧化降解路径，这为工业酶制剂换代升级提供了新的策略。未来可在堆肥、白蚁肠道等富含木质纤维素的生态环境中继续挖掘类似序列，并通过结构工程、定向进化等手段进一步提升其性能。评论认为，在AI辅助酶工程的背景下，更多此类“暗物质酶”将被发现，从而为构建高效、可持续的纤维素生物炼制体系奠定基础。

04 作者简介

孙付保 教授

孙付保，江南大学至善岗位教授，生物资源与生物炼制研究团队负责人，博士生导师。主要研究方向包括生物基化学品/能源/材料的炼制型生产相关理论创新和技术研发。近5年承担国家重点研发计划重点专项课题、国家重点研发计划国际合作专项、国家自然科学基金重点（联合）/国际合作/面上等省部级以上科研项目20余项，以及企业委托项目10余项；以通讯或一作在Biotechnol. Adv., Chem. Eng. J., Green Chem., Energy Convers. Manage., J. Clean. Prod.等发表SCI研究论文100余篇，授权国家发明专利20余件（含美国专利2件），获得广西壮族自治区技术发明一等奖等省部级奖励6项。现为国际杂志J Chem Technol Biotechnol编委（2013-）、Current Nutrition& Food Science编委(2025-)和Advances in Environmental Technology编委（2023-）。

刘国栋 教授

刘国栋，教授，博士生导师，山东大学微生物改造技术全国重点实验室副主任，Green Carbon青年编委。主要从事非粮生物质的微生物降解转化技术研究。围绕“木质纤维素微生物降解转化的限速机制与破解策略”科学问题开展应用基础研究，形成了“关键酶机制解析与改造-高效酶系设计构建-酶高产菌株创制应用”的链条式研究体系。作为第一/通讯作者在Chem Eng J、Green Chem、PLoS Genet、mBio、J Biol Chem等期刊发表论文30余篇，作为第一发明人获授权专利5件，主持国家自然科学基金面上项目、山东省优秀青年科学基金项目等科研项目20余项，入选山东大学青年学者“未来计划”岗位。选育的自主知识产权纤维素酶高产菌株实现产业化应用，先后获得国家科技进步二等奖、青岛市青年科技奖。兼任中国菌物学会遗传与分子生物学专业委员会委员、学术期刊Engineering Microbiology执行编辑。

05 Green Carbon

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