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《中國科學報》頭版頭條報道:郭瑞庭教授團隊PET塑料降解酶研究取得重大突破

作者:  編輯:鮮文濤  來源:生命科學學院 省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室   發佈時間:2021/05/23

塑料廢棄物在環境和生態系統中造成的污染,已經成為不可忽視的嚴重問題,而塑料降解技術研發一直是世界難題。湖北大學生命科學學院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室郭瑞庭教授團隊揭示了創制更多性質優良PET降解酶的有效策略,將對發展生物降解塑料技術創造重要價值,相關成果5月20日發表在Nature Catalysis(《自然—催化》;IF:30.471)上。5月21日,《中國科學報》頭版頭條對此研究成果進行了報道。

自然界獨一無二的PET降解酶

聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET),俗稱滌綸,是生產與消耗量最多的塑料之一,大量運用在食品飲料包裝和人造纖維製作,目前全球年產量已近七千萬噸。發展温和綠色的生物降解法來處理PET廢棄物,是人類社會尋求永續發展的重要方向圖一

PET為聚酯大分子,理論上有可能被降解酯鍵的酶所水解,然而大量的芳香環以及結構緻密的結晶區,使得PET對於酶介導的作用有非常強的抗性,因此,尋找更為有效的PET降解酶是開發生物降解PET技術的核心。

圖一、PET塑料單體、聚合體、產品,以及廢棄物處理的主要手段。

2016年,日本科學家在大阪近郊的PET回收處分離了一株能“吃”PET的細菌—Ideonella sakaiensis。這株細菌分泌一個能夠將PET水解成小分子的酶,稱“IsPETase”,分解後的小分子MHET與TPA就可以被細菌吸收利用

IsPETase是目前為止唯一一個透過自然演化過程產生的真正意義上的PET降解酶。然而,IsPETase並不是一個全新的酶,而是屬於一種古老的酶種——角質酶,原本的作用是微生物用來分解植物角質。古老的角質酶分解PET的活力非常低,但IsPETase卻能夠很好的水解PET。PET問世不到70年,細菌如何能夠在短短的時間內把角質酶轉變成PET降解酶,其中的奧祕始終沒有被揭露。

圖二、PET生物降解機制。I. sakaiensis降解代謝PET途徑簡圖。I. sakaiensis表達IsPETase與MHETase將PET降解成TPA單體後,在胞內進行TPA代謝。

大小二元體的轉換是產生PET降解酶的關鍵

湖北大學生命科學學院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室裏郭瑞庭教授與陳純琪教授團隊長期從事蛋白質結構與功能分析,於2017年首度在國際上報道了首個IsPETase的晶體結構與酶和底物類似物的複合體結構(Nature communications,2017,vol.8,p.2106)。

與經典的角質酶比對,IsPETase有三個主要結構特徵:(1)IsPETase的第二底物結合域多了一段loop 241-245,可能與拓展PET的結合有關;(2)IsPETase比經典的角質酶多出一對二硫鍵DS1,作用在於穩定loop 241-245;(3)IsPETase第一底物結合域較為寬闊,這是因為一個關鍵的底物結合氨基酸W185採取多樣構型(W185 wobbling),導致底物結合口袋可能出現較為寬闊的構像(圖三)

郭瑞庭教授團隊多年來在這個領域持續進行深入研究,透過比對IsPETase與角質酶的蛋白質結構,發現角質酶的底物結合區較為狹窄,比較適合作用在形狀細長的角質,而不利於作用在構造較為寬大的PET上,詳細介紹發表在2020年3月的Nature Reviews Chemistry封面文章中

圖三、PET降解酶結構特徵。(A)IsPETase與底物類似物複合體結構(PDB ID,5XH3),紅色虛線框:活性中心的催化三聯體,黑色虛線框:底物結合域。(B)IsPETase特有之結構特徵。

圖四、20203Nature Reviews Chemistry封面文章。郭瑞庭教授團隊統整各種高分子生物降解機理,特別針對酶的結構特性與底物結合模式進行討論,找尋其中的關聯以及微生物因應人造物質出現的演化方向,為生物質資源的利用與塑料生物降解提供未來展望。

團隊曾經根據上述第一以及第二項特徵來尋找更多具有降解PET活性的酶,但是這些酶降解PET的活力依然很低,於是團隊轉而專注於第三項特徵。IsPETase底物結合區的組成與角質酶是一樣的,但IsPETase底物結合區的W185可以自由擺動。當PET結合到IsPETase上時W185會被往下壓低一些,如此一來底物結合區的空間就變得較為開闊,也才能夠容納PET。所有的角質酶在相對的位置都具有這個色氨酸,但是在所有角質酶裏面,這個色氨酸側鏈的方向都是固定的。為什麼同樣的氨基酸,在兩種相似的酶裏面會展現不同的構像變化呢?這麼細微的差異,真的是造成IsPETase與角質酶降解PET活力高低不同的關鍵因素嗎?

IsPETase與其他經典角質酶活性區關鍵差異。IsPETase活性區當中負責結合底物的W185展現三種不同構像,結合了底物的是藍色構像。在其他角質酶中W185相對應的色氨酸則是紅色的構像,並不利於結合PET

進一步分析色氨酸鄰近的區域發現,在所有角質酶中,色氨酸下方有組氨酸與苯丙氨酸這兩個側鏈較大的氨基酸(簡稱大二元體,)支撐着,它們就像支架一樣固定住了色氨酸使其無法轉動。而在IsPETase中W185下方則是絲氨酸和異亮氨酸(簡稱小二元體,),它們的側鏈基團較小固定不住W185,因此W185就能自由擺動,IsPETase的底物結合區也就能夠“伸縮自如”了。

有趣的是,將IsPETase的小二元體換成大二元體,PET降解的活性就會大幅下降,反之將角質酶中的大二元體換成小二元體,降解PET的活性就會大幅提升。由此可知,大小二元體的轉換極有可能就是產生一個PET降解酶最關鍵條件。考查密碼子可以發現,只需要突變三個鹼基就能夠將大二元體變成小二元體,而累積三個突變位點是有可能在短時間之內發生的,只需要透過利用導入小二元體的策略

、郭瑞庭團隊測試了8個角質酶,發現其中6個角質酶導入Ser/Ile二元突變可創制新型PET降解酶。圖為六個有明顯效果的酶降解PET所得產物的HPLC層析圖譜,黑色線為野生型帶有大二元體的酶,紅色線為DM突變帶有小二元體的酶。

創制多個新型的PET降解酶

根據這些結果可以推論,為了快速適應生存環境中堆積的大量PET廢棄物,細菌在古老的角質酶中導入突變將之轉變成了一個有效的PET降解酶,用以分解PET作為能量的來源。微生物在短時間內選擇了突變角質酶來分解PET,顯示這可能是產生一個PET降解酶快速有效的途徑。這些結果為大自然應對並分解塑料的演化過程提出理論根據,也揭示了自然界在短時間演化出更多塑料降解酶機制的可能性。

此外,導入小二元體是創制更多性質優良PET降解酶的一個有效策略,團隊已經利用這個方法獲得了多個新型的PET降解酶,而這一系列的新酶將對發展生物降解塑料技術創造重要價值。

這些結果於5月20日在Nature Catalysis上發表。湖北大學生命科學學院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室郭瑞庭教授、戴隆海副教授、黃建文副教授為本文共同通訊作者,陳純琪教授、中科院天津工業生物技術研究所韓旭高級工程師、湖北大學博士生李鮮為本文共同第一作者。

《中國科學報》報道鏈接://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/5/362764.shtm

論文原文鏈接://www.nature.com/articles/s41929-021-00616-y

(審稿:謝玉平)



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