酚类物质对纤维素酶解糖化的抑制规律及抑制分子机理研究

Although pretreatment can open up the structure of lignocellulose, it can generate various types of phenolics that can strongly inhibit the enzymatic saccharification of cellulose. Due to insufficient understanding of the inhibition mechanism, cost-efficient inhibition mitigation strategies remain quite limited. Our objective is to identify the quantitative relationship between the structure of phenolics and their inhibitory effect, and to understand the phenolics-caused inhibition mechanism of key cellulases. The proposed research include: ①study the inhibitory effect of four types of pretreatment derived phenolics on enzymatic saccharification of cellulose; ②clarify the relationship between the structure characteristics of phenolics and their inhibitory effect on enzymatic saccharification by using quantitative structure−activity relationship (QSAR) analysis method; ③evaluate the inhibition kinetics of key cellulases by model phenolic compounds to understand the reasons for the decreased enzymatic saccharification efficiency; ④investigate the interaction between model phenolic compounds and key cellulases by isothermal titration calorimetry, circular dichroism and molecular docking to elucidate the molecular inhibition mechanism of key cellulases by phenolics. This study will promote the development of effective inhibition mitigation strategies and provide fundamental understanding for developing more efficient pretreatment as well as more inhibitor-tolerant cellulases for enzymatic saccharification of cellulose.

预处理通过破坏木质纤维素的致密结构提高纤维素酶解糖化效率，但会产生一系列酚类物质，显著抑制纤维素酶催化活性。由于其确切的抑制作用规律及抑制机理尚不清楚，目前尚缺乏高效的抑制解除方法。我们研究发现酚类物质结构会影响其抑制作用，在此基础上，本项目将在分子水平上揭示酚类物质的分子结构和其抑制作用的定量关系，阐明其对纤维素酶的抑制分子机理，主要包括：①通过研究预处理酚类物质对酶解的影响，明确其结构特性及抑制作用；②采用定量构效关系方法探明酚类物质的分子结构和其抑制作用的关系；③通过研究模型酚类物质对核心纤维素酶的抑制动力学，明确酚类物质对核心酶的抑制效应；④利用等温滴定微量量热法、圆二色谱、分子对接研究模型酚类物质与核心酶的结合作用，解析酚类物质对核心酶的抑制分子机理。本项目的实施将为抑制解除技术的开发、预处理技术的理性设计以及抗抑制纤维素酶的定向改造提供理论依据，具有重要的学术价值和实践意义。

预处理通过破坏木质纤维素的致密结构提高纤维素酶解糖化效率，但会产生一系列酚类物质，显著抑制纤维素酶催化活性。由于其确切的抑制作用规律及抑制机理尚不清楚，目前尚缺乏高效的抑制解除方法。针对上述问题，本项目对玉米秸秆进行了稀酸（DA）、热水（LHW）、氨法（AFEX）和稀碱（AL）预处理，进而提取了其产生的酚类物质，并进行了结构解析和抑制作用研究，发现不同预处理产生的酚类物质对酶解的抑制作用依次为：AFEX>LHW>DA>AL；通过分析不同预处理酚类物质的组成，发现酚类物质中的酰胺基/羰基可能是导致这种差异的原因。在此基础之上，进一步解析了不同预处理条件下得到的稀酸预处理酚类物质的组成结构和抑制作用，发现随着预处理强度的增加，木质素降解反应产生了更多具有较强抑制作用的酚类物质，是导致预处理水解液对纤维素酶抑制作用随预处理强度增加的主要原因。通过分析酚类物质的结构特征与其抑制作用的关系，建立了构效关系模型，发现通过酚类物质的亲电性和疏水性可以预测其对纤维素酶解的抑制作用。根据酚类物质与纤维素酶之间的相互作用机制，开发了高效的缓解剂阻断酚类物质与纤维素酶之间的相互作用，进一步提升了纤维素酶解效率。本项目的实施为抑制解除技术的开发、预处理技术的理性设计以及抗抑制纤维素酶的定向改造提供理论依据，具有重要的学术价值和实践意义。