木质纤维素作为地球上最丰富的可再生生物质资源，是生产可持续生物燃料和化学品的关键原料。然而，由于其结构复杂顽固，高效降解一直以来面临诸多挑战。在生物法降解纤维素的过程中，β-葡萄糖苷酶（BGL）负责将中间产物纤维寡糖分解为葡萄糖，并能解除寡糖对上游纤维素酶的抑制，作用至关重要。

来源于Caldicellulosiruptor sp. F32的β-葡萄糖苷酶CaBGL因其出色的活性和稳定性，以及与热纤梭菌良好的适配性，已被应用于整合生物糖化这一新兴工艺中。由于野生型CaBGL的最佳工作条件与整合生物糖化工艺所需的条件存在显著差异，进一步提升CaBGL在整合生物糖化工艺操作条件下的性能具有重要的价值。

针对这一问题，青岛能源所先进生物炼制与合成研究组通过酶工程技术，成功改造CaBGL，获得了性能大幅提升的突变体。研究团队设计了一种定向进化与半理性设计相结合的策略（图1）：首先构建了一套基于热稳定绿色荧光蛋白（TGP）的高通量筛选平台，对CaBGL进行定向进化筛选；随后结合结构生物学和分子对接分析，对获得的CaBGL突变体进行进一步的半理性设计和筛选，最终获得高性能的突变体。

图1 CaBGL的酶工程改造策略：基于TGP融合的高通量筛选和基于结构的半理性设计相结合

使用该策略，研究团队构建了包含6000个转化子的突变体库，经过初筛和复筛，成功获得了3个具有活性显著提升的突变体。对突变体上的活性位点进行饱和突变和组合突变，最终筛选到一个性能最优的突变体M418T。研究表明，在不同浓度（0-675 mM）葡萄糖存在的情况下，M418T的催化活性均比野生型酶提高两倍以上。在体外与天然纤维小体复配进行纤维素糖化实验中，M418T将糖化速率系数显著提升了43%。

此外，通过结构分析与分子对接，研究团队还揭示了M418T性能提升的分子机制：M418T位点的突变有效减少了底物通道入口的空间位阻，使得底物更易进入，产物更易排出，从而大幅提升了催化效率（图2）。该研究不仅为工业木质纤维素转化提供了一种极具应用潜力的高性能生物催化剂，也为其他工业酶的定向改造和性能提升提供了可借鉴的有效策略。

图2 CaBGL的酶工程改造优化结果及其性能提升的机制分析

相关研究成果以“Engineering of β-glucosidase CaBGL with improved performance in cellulose hydrolysis”为题发表于Bioresource Technology，先进生物炼制与合成研究组冯银刚研究员和崔球研究员为论文的通讯作者，助理研究员游偲和硕士生郑欣为论文的共同第一作者。该论文所报道的高性能突变体酶已申请发明专利一项并获得授权（专利号202211087492.3）。相关研究得到了国家自然科学基金、青岛能源所强基计划等项目的支持。（文/图 游偲）

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.133424

You C^#, Zheng X^#, Qi K, Dong S, Liu YJ, Chen C, Cui Q^*, Feng Y^*. Engineering of β-glucosidase CaBGL with improved performance in cellulose hydrolysis. Bioresour. Technol. 2026, 440:133424. doi: 10.1016/j.biortech.2025.133424.

发明专利：具备高酶活和高葡萄糖耐受性的β-葡萄糖苷酶突变体及应用；专利号：202211087492.3，发明人：崔球、游偲、郑欣、陈超、冯银刚；授权日：2024.07.02。