几丁质和木聚糖是两种最丰富的天然多糖，但乙酰基的存在严重限制了它们的功能性和工业应用[1]。几丁质是一种线性的、含量丰富的结构多糖，主要由β-(1,4)-连接的N-乙酰-D-葡糖胺（GlcNAc）单元组成。通过酶法或化学脱乙酰化，几丁质可以转化为壳聚糖，这是一种独特的阳离子生物聚合物，主要由D-葡糖胺（GlcN）和残留的GlcNAc单元组成，具有出色的生物相容性、黏膜粘附性和固有的抗菌活性[2]、[3]、[4]。这些特性使其在先进的伤口敷料、靶向药物输送系统以及组织工程支架等应用中得到广泛应用。在农业领域，基于壳聚糖的制剂作为环保的生物刺激剂，可以增强作物的抗逆性，同时减少对化学农药的依赖[5]、[6]。木聚糖寡糖（XOS）通过木聚糖的水解和脱乙酰化获得，作为下一代益生元在功能性食品行业中受到广泛关注，临床研究表明它们能够在极低的日剂量下选择性刺激有益的肠道微生物群[7]。目前，全球增值壳聚糖和XOS的市场正在呈指数级增长，预计到2030年的复合年增长率为15-20%[8]、[9]、[10]、[11]。因此，将几丁质和木聚糖分别转化为壳聚糖和XOS是非常必要的。
然而，目前从几丁质生产壳聚糖的工业方法仍然依赖于不可持续的化学过程[12]、[13]。传统的壳聚糖制造需要在高温（80-120°C）下用浓碱溶液（40-50% NaOH）处理较长时间（4-6小时），产生大量有害废物，并导致聚合物链的随机断裂[14]。此外，这种策略导致产品质量不稳定，脱乙酰程度（DD）和分子量分布广泛——这些参数对高价值应用中的材料性能至关重要[15]、[16]、[17]。同样，商业XOS的生产主要依赖于耗能高的蒸汽爆炸或强酸水解富含木聚糖的生物质，通常会产生含有糠醛和酚类化合物等不希望的副产物[18]。
对可持续制造过程的需求不断增长，推动了对多糖酶法改性的研究兴趣。微生物脱乙酰酶提供了一种有吸引力的生物催化解决方案，能够在温和的反应条件下运行，并对脱乙酰化模式进行精确控制[19]。然而，酶法多糖改性的广泛工业应用受到几个持续存在的挑战的阻碍。来自真菌来源的可用脱乙酰酶（例如Mucor rouxii [20]、Aspergillus nidulans [21]）在异源系统中的表达产量较低，且在工艺条件下的稳定性有限。更重要的是，除了酶的表达和稳定性之外，根本的瓶颈在于天然聚合几丁质的高度结晶结构和严格的水不溶性，这造成了严重的空间阻碍，严重限制了酶的访问性。此外，虽然海洋细菌酶更为稳健，但它们的pH耐受范围较窄，且需要高盐浓度才能达到最佳活性[19]。
为了克服这些限制，我们旨在从Bacillus altitudinis JYY-02中发现新的、适用于工业生产的脱乙酰酶，该菌株在我们之前的研究中已被鉴定为耐热菌株[22]。本研究的新颖之处不仅在于发现了这种新的极端嗜热菌株，还在于目标酶独特的结构和功能特性。具体来说，两个假定的CE4家族基因编码多糖脱乙酰酶（PdaA）和几丁质寡糖脱乙酰酶（COD）被异源表达。这些新型脱乙酰酶表现出出色的热稳定性和独特的金属离子激活机制。此外，结构分析揭示了它们完全不同的静电结合口袋。我们系统地研究了它们的生化特性，并展示了它们在商业几丁质和木聚糖精确酶法改性中的潜在应用，为它们与水解酶的协同作用提供了宝贵的见解。
