点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:结构微调,让古老酶种也能“吃”塑料
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

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

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  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 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 多国人士探寻全球安全挑战下媒体协同发展路径

  • 第七届全国农业行业职业技能大赛决赛举行

独家策划

推荐阅读
11月,在山东建筑大学,虽已回到校园,但建筑电气与智能化专业学生王凡的思绪却总回到千里之外的青海金银滩草原。今年夏天,他作为山东赴海北暑期交流实习队伍的一员,在青海海北藏族自治州海晏县应急管理局实习了两个月。
2026-11-06 09:49
11月5日,“雪龙2”号极地科考破冰船在海南三亚南山港科考码头进行停靠补给并举行公众开放日活动。图为“雪龙2”号极地科考破冰船。
2026-11-06 09:48
恒星的亮度并非恒定不变,有的会突然变亮,有的会骤然变暗,变化快的,几分钟内便完成一轮明暗变化。臧伟呈表示,这项巡天的初始科学目标,是用微引力透镜方法搜寻地球到火星质量级别的流浪行星。
2026-11-06 09:47
作者:庄伟光、吴源(分别系广东省政府文史研究馆馆员、省社科院研究员,广东省习近平新时代中国特色社会主义思想研究中心特约研究员;农文旅融合,不是农业做背景、文化贴标签、旅游凑项目的简单叠加,而是生产要素的创造性重组。
2026-11-06 09:45
河北邯郸曲周县,昔日“春天白茫茫,夏天水汪汪”的盐碱荒滩,经一代代耕耘者科技赋能、接续改良,已从亩产“一背篓”迈向“绿色吨半粮”的高产田。丰收之外,耕耘者持续探索生态友好耕作模式,改良土壤、养护地力,跳出单一追求高产的思维模式,稳步迈向可持续稳产增收之路。
2026-11-06 09:44
一组膜材料样品刚完成溶剂耐受性测试,教师第一党支部书记李卫星招呼大家把椅子一拢,在实验台旁围坐一圈,开始学习党的二十届五中全会精神。譬如,分离膜是芯片、生物医药领域的关键材料,下一步,我们要抓紧攻关,把国产替代做出来……”  “攻克‘卡脖子’难题,离不开良好的科研风气。
2026-11-06 09:42
此次研究旨在将结构知识融入大规模序列学习,同时保持模型在不同结构与功能任务中的适应性和泛化能力。中国科大生物医学工程学院博士朱河勤为论文第一作者,该校教授周少华和特任研究员熊鹏为该文章共同通讯作者。
2026-11-05 09:18
创新是一个民族进步的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力。习近平总书记指出,“着眼发展新质生产力,强化科技创新和产业创新深度融合,建设具有国际竞争力的现代化产业体系”。
2026-11-05 04:25
每年这个时节,乌镇处处都会涌动着创新的生机与活力——由于世界互联网大会乌镇峰会的约定,各方宾客带来最前沿的技术、最先进的成果、最领先的思想,让这里成为世界观察中国数字发展、中国参与全球数字治理的窗口。
2026-11-05 04:25
和前些年一样,有人买家具,有人囤化妆品,但今年有些不同的是,有直播间的评论区里刷出“3、2、1,上Token”,AI软件的会员月卡成了直播间里的抢手货。随着AI覆盖面的扩大,Token消耗量越来越大,不少AI软件已经出现了免费的大模型需要排队的情况,如果没有付费,等待时间就要变长。
2026-11-05 09:17
人类社会到底需不需要通用人工智能(AGI)?这个问题不能只从技术能力的层面回答。人类社会发展从来不是单纯追求“能力越大越好”,而是追求一种能被人类理解、被人类约束、出了错还能纠正的能力。
2026-11-05 04:25
西北戈壁滩上,多方向、多批次自杀式无人机集群低空掠过,高速冲向目标。“我们聚焦制约激光反无装备性能的关键技术,持续多年开展攻关,先后破解光纤拉制、散热控温、精准打击等难题。
2026-11-04 09:55
1.75万辆北斗高精度共享电单车服务超600万人次,“5G+北斗”低空空域监视通信专网填补空白……近期,第五届北斗规模应用国际峰会在湖南株洲举行,一项项北斗应用惊艳亮相。聚力卫星研制、终端制造、场景示范、国际合作,“北斗之城”将迸发出更大能量,成为中部崛起的强劲力量。
2026-11-04 09:49
今年8月,在2026世界机器人大会举办期间,全国首个具身机器人演出“沙盒审批”试点在北京亦庄落地,首形科技(北京)有限公司、北京中科慧灵具身智能科技有限公司、阿卡帕尼(北京)机器人有限公司三家企业获颁《具身机器人演出“沙盒审批”准入证明》。北京经开区已率先落地全国首个数字人营业性演出沙盒试点,如今演出“沙盒审批”已从虚拟数字人延伸至实体机器人。
2026-11-04 09:48
今年“双十一”电商大促,Token(词元)以独立品类在多个电商平台上架,看不见、摸不着的算力服务,变成可以下单的商品。青海西宁市民苏国庆是一名短视频爱好者,为了让视频呈现更好的效果,趁着电商大促,他“囤”了不少Token。
2026-11-04 09:45
“十五五”规划纲要提出,面向生物育种、生产管理、疫病防治等场景加快农业数智化升级。站在“十五五”开局之年,我国数智技术加速赋能千行百业,成为驱动经济发展的创新动力。
2026-11-04 04:20
11月3日8时15分,力箭二号遥二运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空,将搭载的千帆极轨21组卫星顺利送入预定轨道,飞行试验任务取得圆满成功。
2026-11-03 09:33
2026年5月,国务院印发《加快农业农村现代化“十五五”规划》,对“健全现代农业经营服务体系”进行部署,强调“将先进适用品种、技术、装备引入小农户”“促进小农户和现代农业发展有机衔接”。
2026-11-03 03:55
近日,中共中央、国务院印发《关于发展新质生产力的意见》,对“改造提升传统产业”作出系统部署,并将其作为推动科技创新和产业创新深度融合的重要任务之一。
2026-11-03 03:55
1983年2月,“两弹一星”元勋钱学森给中国科学院院士李正武写了一封信。信件仅200余字,没有客套寒暄,却映照出两位“患难之交”的深厚情谊和默契。
2026-11-03 03:55
加载更多