Целлюлосомы представляют собой мультиферментные внеклеточные комплексы. Целлюлосомы связаны с поверхностью клетки и опосредуют прикрепление клеток к нерастворимым субстратам и расщепление их до растворимых продуктов, которые затем абсорбируются. Целлюлосомные комплексы представляют собой сложные мультиферментные механизмы, вырабатываемые многими целлюлолитическими микроорганизмами. Они производятся микроорганизмами для эффективного расщепления полисахаридов клеточных стенок растений , особенно целлюлозы , самого распространенного органического полимера на Земле. Множественные субъединицы целлюлозом состоят из многочисленных функциональных доменов, которые взаимодействуют друг с другом и с целлюлозным субстратом. Одна из этих субъединиц, большой гликопротеин «скаффолдин», представляет собой особый класс некаталитических каркасных полипептидов . Субъединица скаффолдина избирательно интегрирует различные субъединицы целлюлазы и ксиланазы в когезивный комплекс путем объединения своих доменов когезина с типичным доменом докерина , присутствующим на каждой из субъединиц ферментов. Каркас некоторых целлюлосом, например Clostridium thermocellum , содержит углеводсвязывающий модуль , который прикрепляет целлюлозу к целлюлосомальному комплексу. [1]
Целлюлосомы существуют в виде внеклеточных комплексов, которые либо прикреплены к клеточной стенке бактерий, либо находятся в растворе, где нерастворимый субстрат может расщепляться на растворимые продукты и поглощаться клеткой. Большой размер и гетерогенность целлюлосом наиболее изученных организмов (т.е. C. thermocellum, C. cellulolyticum и C. cellulovorans ) значительно усложнили попытки исследования структуры и функции целлюлосом. Другие целлюлосомные системы (например, системы Acetivibrio cellulolyticus и Ruminococcus flavefaciens ) кажутся еще более сложными.
Целлюлосома состоит из многофункциональной интегрирующей субъединицы каркаса, ответственной за организацию различных целлюлолитических субъединиц (например, ферментов) в комплекс. Внутри целлюлосомы множество эндоглюканаз, целлобиогидролаз, ксиланаз и других деградирующих ферментов действуют синергически, атакуя гетерогенные нерастворимые целлюлозные субстраты. Это достигается за счет взаимодействия двух дополнительных классов модулей, расположенных на двух отдельных типах взаимодействующих субъединиц, т.е. модуля когезина на скаффолдине и модуля докерина на каждой ферментативной субъединице. Высокоаффинное взаимодействие когезин-докерин определяет структуру целлюлосомы. Прикрепление целлюлосомы к ее субстрату опосредуется целлюлозосвязывающим модулем (CBM), переносимым скаффолдином, который включает часть субъединицы скафолдина. Большая часть нашего понимания его каталитических компонентов, архитектуры и механизмов прикрепления к бактериальной клетке и целлюлозе была получена в результате изучения Clostridium thermocellum . [2] [3] [4] [5]
В начале 1980-х годов Рафаэль Ламед и Эд Байер встретились в Тель-Авивском университете, [6] Израиль, и начали свою работу, которая привела к открытию концепции целлюлосомы. В то время они вообще не искали ферменты или целлюлосомы. Они просто искали «целлюлозосвязывающий фактор» или «CBF» на поверхности клеток анаэробной термофильной бактерии C. thermocellum , который, как они пришли к выводу, мог бы объяснить наблюдение, что бактерия прочно прикрепляется к нерастворимому целлюлозному субстрату до его разложения. . Они применили нетрадиционный на тот момент экспериментальный подход, в котором они выделили мутант бактерии с дефектом адгезии и приготовили специфическое поликлональное антитело для обнаружения функционального компонента. Удивительно, но вместо небольшого белка они выделили очень большой супрамолекулярный комплекс, состоящий из нескольких субъединиц. Сочетание биохимических, биофизических, иммунохимических и ультраструктурных методов с последующей молекулярно-биологической проверкой привело к определению и доказательству концепции целлюлосомы. Таким образом, было задокументировано рождение дискретного мультиферментного целлюлосомного комплекса. [7]
Известные в настоящее время анаэробные бактерии, продуцирующие целлюлозу:
Разумное применение гибридов целлюлозы и химерных конструкций («наносом») целлюлосомных доменов должно позволить лучше использовать целлюлозную биомассу и может предложить широкий спектр новых применений.