近日，江苏科技大学生物技术学院、蚕业研究所青年教师游帅博士为第一作者，王俊教授为通讯作者以“Loop engineering of a thermostable GH10 xylanase to improve low-temperature catalytic performance for better synergistic biomass-degrading abilities”为题，在国际农业工程类顶级期刊《生物资源技术》（Bioresource Technology，中科院1区TOP期刊，影响因子9.642）发表木质纤维素生物质高值化酶解利用的最新成果。
木聚糖酶作为一种重要的饲料用酶，可有效协同纤维素酶催化快速实现生物质糖化反应，获得稳定性高且催化性能强的木聚糖酶，实现生物质低能耗降解产糖。研究团队在国家自然科学基金（21978121）、国家重点研发计划（2021YFE0111100）等科研项目支持下，创建“气爆+海水”预处理法有效去除生物质中的木质素并实现纤维素与半纤维素的暴露与分离，为后续纤维素酶与纤维素多糖的结合及快速水解创造有利条件。随后，将定向进化和计算机辅助模拟设计相结合，对酶的低温催化效率进行改造，成功筛选到目前低温比活力最高且具有广谱识别模式的耐热木聚糖酶突变体，并确定了影响酶催化的关键突环区（loop2）。进一步从氢键、离子键和位阻消除多个角度对loop2进行序列重构，构建了loop2架构与催化动力学的对称性模型，明确氨基酸突变组合M137E/F138L/N269G/N291G是实现loop2对酶稳定性与催化活力贡献最优的排列组合，阐明了loop2调控酶催化及热稳定性的分子机制。最终，将“气爆+海水”预处理法联合工程化木聚糖酶协同纤维素酶水解木质纤维素生物质，实现一步法低能耗高效产糖，每克生物质产糖突破200 µmol，较目前报道的最高产率提高45%。本成果实现了木质纤维素生物质绿色高效产糖工艺关键技术的突破，为其催化水解及高值化应用提供了新的途径。
图1. 木质纤维素类生物质转化为糖的基本流程
图2. 突变体与野生型动力学模拟分析
图3. 底物分子与酶催化通道关键氨基酸残基相互作用比较分析
同期，团队基于最新发现的酶催化改造策略及“气爆+海水”预处理工艺成功实现了多种农业废弃物（玉米秸秆、玉米芯等）的快速高效低能耗产糖，研究成果“Improvement of XYL10C_∆N catalytic performance through loop engineering for lignocellulosic biomass utilization in feed and fuel industries”发表于能源领域顶级期刊《生物燃料生物技术》（Biotechnology for Biofuels，中科院1区TOP期刊，影响因子6.485）。
这是首次将“气爆+海水”预处理法联合工程化木聚糖酶催化水解应用于多酶协同降解木质纤维素生物质领域，本研究成果为促成木质纤维素生物质的低能耗快速产糖、推进桑树资源饲料化利用提供了新的思路。
