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结构微调,让古老酶种也能“吃”塑料

来源:科技日报2021-07-14 09:41

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  科学家经过研究推论出,细菌为快速适应堆积的PET废弃物,在古老的角质酶中导入突变,使之转变成高效的PET降解酶。这个发现为创制更多优质PET降解酶提供了有效策略。

  塑料废弃物在环境和生态系统中造成的污染,已经成为不可忽视的严重问题。聚对苯二甲酸乙二酯(PET)是生产与消耗量最多的塑料之一,大多数矿泉水瓶就是用PET作为原料。PET废弃物主要以掩埋或焚烧法来处理,但掩埋法无法彻底消除PET,焚烧则会产生温室气体造成二次污染。

  记者7月10日从湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室获悉,该实验室郭瑞庭教授与陈纯琪教授团队,经过研究推论出,细菌为快速适应堆积的PET废弃物,在古老的角质酶中导入突变,使之转变成高效的PET降解酶。这个发现为创制更多优质PET降解酶提供了有效策略,目前团队已生产出多个新型PET降解酶,为发展生物降解塑料开辟了新途径。相关研究成果已发表在权威期刊《自然·催化》上。

  有种细菌能“吃”塑料

  PET的塑料分类代号为1号,全球年产量已近7000万吨。PET防水、耐热、抗酸碱腐蚀,所以大量被用来制作食品饮料的包装瓶/盒和人造纤维。目前,PET的回收率仅有10%左右,且较常使用的物理或化学回收处理方法都具有局限性。因此,发展温和绿色的生物降解法来处理PET废弃物,是人类社会寻求可持续发展的重要方向。

  PET为聚酯大分子,理论上有可能被降解酯键的酶所水解,然而大量的芳香环以及结构致密的结晶区,使得PET对于酶降解作用具有非常强的抗性,因此寻找更为有效的PET降解酶是开发生物降解PET技术的核心。

  塑料的性质稳定,一般认为需要数百年的时间才可能被自然分解。2016年,日本科学家在PET回收处分离出了一株能“吃”PET的细菌— Ideonella sakaiensis,该细菌能分泌一种将PET水解成小分子的酶——IsPETase,分解后的小分子还可以被细菌吸收利用。

  “IsPETase是目前为止唯一一个通过自然演化过程产生的真正意义上的PET降解酶。然而,IsPETase并不是一个全新的酶种,而是属于一种古老的角质酶,原本的作用是微生物用来分解植物角质的。”郭瑞庭介绍,古老的角质酶分解PET的活力非常低,但IsPETase却能够很好地分解PET。细菌如何把角质酶转变成PET降解酶,其中的奥秘始终没有被揭露。

  该团队长期从事蛋白质结构与功能分析,于2017年在国际上公布了首个IsPETase的晶体结构与酶和底物类似物的复合体结构。郭瑞庭介绍:“通过比对IsPETase与角质酶的蛋白质结构,我们发现角质酶的底物结合区较为狭窄,比较适合作用于形状细长的角质,而不利于作用在构造较为宽大的PET上。”

  “制造”高效降解塑料的酶

  为寻找更多具有降解PET活性的酶,团队发现,IsPETase底物结合区的组成与角质酶是一样的,但IsPETase底物结合区的W185(色氨酸)可以自由摆动。当PET结合到IsPETase上时,W185会被往下压低一些,如此一来底物结合区的空间就变得较为开阔,也才能够容纳PET。所有的角质酶在相对的位置都具有这个色氨酸,但这个色氨酸侧链的方向都是被固定住的,不能自由摆动。

  为什么同样的色氨酸,在两种相似的酶里面会展现不同的构象变化呢?这么细微的差异,真的是造成IsPETase与角质酶降解PET活力高低不同的关键因素吗?

  团队进一步分析色氨酸邻近的区域发现,在所有角质酶中,色氨酸下方有组氨酸与苯丙氨酸这2个侧链较大的氨基酸(以下简称大二元体)支撑着,它们就像支架一样固定住了色氨酸使其无法转动。而在IsPETase中W185下方则是丝氨酸和异亮氨酸(以下简称小二元体),它们的侧链基团较小,固定不住W185,因此W185就能自由摆动,IsPETase的底物结合区也就能够“伸缩自如”了。

  有趣的是,将IsPETase的小二元体换成大二元体, PET降解的活性就会大幅下降,反之将角质酶中的大二元体换成小二元体,降解PET的活性就会大幅提升。由此可知,大小二元体的转换极有可能就是产生PET降解酶最关键的条件。“考查密码子可以发现,只需要突变3个碱基就能够将大二元体变成小二元体。”郭瑞庭说,而累积3个突变位点是有可能在短时间之内发生的——只需导入小二元体即可。这种快速的转变,就像川剧里的“变脸”一样。

  这些研究结论表明,微生物在短时间内选择了突变角质酶来分解PET,这可能是产生PET降解酶快速有效的途径。此外,导入小二元体能创制更多优质PET降解酶,团队已经利用这个方法获得了多个新型的PET降解酶,用这些酶,科学家将研发出更多生物可降解塑料。(陈 曦)

[ 责编:蔡琳 ]
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