几丁质是地球上仅次于纤维素的第二大生物质，广泛存在于真菌、单细胞动物到无脊椎动物中。几丁质通常和蛋白质及一些矿物相互缠绕和共存，作为这些物种的细胞壁及外骨骼的结构支撑。几丁质是独特的含氮多糖，以N-乙酰葡萄糖胺为结构单元。地球每年产生1000亿吨的几丁质。几丁质是生物相容性非常好的材料，在医用材料、可降解塑料等方面有很广的应用前景，而其寡糖和单糖有很好的免疫、保健和营养作用。罗晓春教授课题组之前对几丁质及含几丁质废弃物（虾壳）等，开发了以酶工程（蛋白酶、几丁质）为基础的生物降解技术（相关研究见论文链接4-7）。酶法精炼解决了以往传统化学工艺回收几丁质造成的环境污染，为新的绿色回收迭代技术，然而酶法降解成本较高。
微生物降解能可以进一步降低回收成本。近期罗晓春教授课题组在几丁质降解菌方面取得了系列进展，包括使用链霉菌SCUT-3将虾壳降解回收成氨基酸、乳酸钙及几丁质 （Chemical Engineering Journal, 2023，IF 15.1）；解析了SCUT-3的几丁质降解相关酶及其协同作用（Journal of Biological Macromolecules，2023，IF 8.2）；鉴定了一株新的海洋几丁质降解菌Chitinibacter sp. SCUT-21及其几丁质利用机制 （Green Chemistry, 2023，IF 9.8）。三篇文章第一作者分别为博士研究生陆德林、王久乐及硕士研究生杨振东，指导老师罗晓春为通讯作者。
链霉菌SCUT-3有非常丰富的蛋白酶系，课题组通过启动子改造、蛋白酶表达增强，实现了工程菌株蛋白酶活性大幅度的提升。蛋白占南美白对虾虾壳总量的50%，使用该菌固态发酵，可彻底降解所有蛋白，回收成氨基酸及小肽；虾壳中的钙是优质钙质，通过生物转化的矿物不含重金属，使用乳酸将其钙制备成乳酸钙，是人体和动物的优质营养素；剩余回收到的高纯度几丁质，比化学法制备的几丁质，保留了更完整的乙酰基，是更天然的高乙酰化几丁质 （论文1）。有趣的是，虽然SCUT-3能以几丁质为唯一碳氮源生长，可在虾壳固态发酵时，SCUT-3几乎
降解虾壳中的几丁质，而只降解蛋白质来给它的生长提供碳氮源，课题组正在深入解析该菌的几丁质利用元件的调控机制。论文2揭示了SCUT-3在几丁质利用中，使用的LPMO单加氧酶、几丁质内切酶、N-乙酰葡萄糖胺酶的相关酶学性质，以及它们之间的协同作用。将几丁质降解酶改造成组成型表达，将使得SCUT-3在降解虾壳蛋白的同时，能实现几丁质的协同降解，有望将SCUT-3改造成虾壳降解超级细菌。
几丁质难降解，在自然界中的半衰期超过半个月。正是由于没有可用的强几丁质降解工程菌，限制了人类的几丁质降解利用。论文3通过筛选和鉴定海洋中的几丁质降解菌，获得了一株几丁质降解效能，远超土壤链霉菌以及海洋弧菌的几丁杆菌SCUT-21；揭示了该菌在海洋底部生境中，缺乏其它营养时，以几丁质为碳氮源生长的机制，包括其碳代谢采用了不释放CO2的双歧途径和乙醛酸循环途径，并存储多聚羟基丁酸PHB颗粒来适应碳源稀缺的机制；以及在仅有几丁质为氮源时，SCUT-21协同使用海洋底部的硝酸盐来供给自身生长氮源。该研究首次较为详细地揭示了，自然界中的几丁质降解菌依赖几丁质生存的适应策略，相关研究为改造更高效的几丁质降解菌提供了更多理论依据和遗传靶标。
相关研究得到了广东省海洋专项（GDNRC[2022]42）、广州市科技项目（202206010137）、广东省乡村振兴项目（2022-WPY-00-11）、广东省自然科学基金（2022A1515010568）的资助。
相关论文链接：
Highly efficient shrimp shell recovery by solid-state fermentation with Streptomyces sp. SCUT-3. Chemical Engineering Journal, 2023, https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141256
Synergic chitin degradation by Streptomyces sp. SCUT-3 chitinases and their applications in chitinous waste recycling and pathogenic fungi biocontrol.International Journal of Biological Macromolecules, 2023, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.11.161
The chitin utilization mechanisms of a new Chitinibacter sp. isolate SCUT-21. Green Chemistry, 2023 ,https://doi.org/10.1039/D3GC00969F
One-step processing of shrimp shell waste with a chitinase fused to a carbohydrate-binding module, Green Chemistry, 2020, https://doi.org/10.1039/D0GC02611E
Enzymatic conversion and recovery of protein, chitin, and astaxanthin from shrimp shell waste. Journal of Cleaner Production, 2020，https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122655
Immunomodulatory Effects of N-Acetyl Chitooligosaccharides on RAW264.7 Macrophages. Marine Drugs, 2020, DOI:10.3390/md18080421
Heterologous expression and characterization of an antifungal chitinase (Chit46) from Trichoderma harzianum GIM 3.442 and its application in colloidal chitin conversion. International Journal of Biological Macromolecules，2019，https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.04.177
