外切纤维素酶I高效降解结晶纤维素动态学过程与充分条件

外切纤维素酶I(CBHI)在催化可溶性底物时能够达到淀粉转化效率的水平，然而在水解不溶性纤维素过程中速率显著降低并失活明显，其转化效率受到纤维素超分子结构及环境的明显影响。本课题以CBHI持续高效降解结晶纤维素的动态过程分析为切入点，利用结构生物信息学、动态波谱分析、微量热分析等方法，从大分子相互作用的角度分析酶分子与水溶/水不溶性聚集态底物之间的构效关系、催化动态学行为及实现高效催化的环境条件等，从而探索CBHI在纤维素表面持续反应过程的热力学控制因素，阐明CBHI持续催化降解结晶纤维素过程的必需和充分条件，总结出 CBHI持续降解催化的机理。研究获得的相关知识，将为生物炼制中新型酶制剂研发、降低转化过程能耗、发酵工艺优化、提高转化效率等难点的克服提供支持，从而加速燃料乙醇新技术的革新与工业转化进程.

本课题以CBHI持续降解结晶纤维素的动态过程分析为切入点，利用MD, QM及QM/MM计算方法分析了CBHI等催化断键的过渡态，阐明了其断键具体过程及其催化效率提高的可能途径。构建高性能结构生物信息学研究平台，分析GH7糖苷水解酶催化结构域活性架构中关键结合位点与结合能变化，利用副本交换方法分析不同温度下的CBHI催化结构域的分子动态行为与其释放纤维二糖的机理与其影响因素，确定了CBHI碳水化合物结合结构域的底物特异性结合位点。利用动态波谱分析、微量热分析等方法，研究了环境温度、底物表面可及性对催化过程影响，分析了酶分子活性架构与不溶性底物的构效关系，阐明了CBHI持续催化过程的热力学控制因素及其催化过程的反应坐标，总结出了CBHI持续降解催化的机理及实现高效催化的充分条件。研究获得的相关知识，将为外切纤维素酶效率的提高、降低生物转化过程能耗、优化发酵工艺等难点的克服提供支持，从而推动燃料乙醇新技术的革新与工业转化。