結構微調，讓古老酶種也能“吃”塑料

科學家經過研究推論出，細菌為快速適應堆積的PET廢棄物，在古老的角質酶中導入突變，使之轉變成高效的PET降解酶。這個發現為創制更多優質PET降解酶提供了有效策略。

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。聚對苯二甲酸乙二酯（PET）是生產與消耗量最多的塑料之一，大多數礦泉水瓶就是用PET作為原料。PET廢棄物主要以掩埋或焚燒法來處理，但掩埋法無法徹底消除PET，焚燒則會產生温室氣體造成二次污染。

記者7月10日從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獲悉，該實驗室郭瑞庭教授與陳純琪教授團隊，經過研究推論出，細菌為快速適應堆積的PET廢棄物，在古老的角質酶中導入突變，使之轉變成高效的PET降解酶。這個發現為創制更多優質PET降解酶提供了有效策略，目前團隊已生產出多個新型PET降解酶，為發展生物降解塑料開闢了新途徑。相關研究成果已發表在權威期刊《自然·催化》上。

有種細菌能“吃”塑料

PET的塑料分類代號為1號，全球年產量已近7000萬噸。PET防水、耐熱、抗酸鹼腐蝕，所以大量被用來製作食品飲料的包裝瓶/盒和人造纖維。目前，PET的回收率僅有10%左右，且較常使用的物理或化學回收處理方法都具有侷限性。因此，發展温和綠色的生物降解法來處理PET廢棄物，是人類社會尋求可持續發展的重要方向。

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對於酶降解作用具有非常強的抗性，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。

塑料的性質穩定，一般認為需要數百年的時間才可能被自然分解。2016年，日本科學家在PET回收處分離出了一株能“吃”PET的細菌— Ideonella sakaiensis，該細菌能分泌一種將PET水解成小分子的酶——IsPETase，分解後的小分子還可以被細菌吸收利用。

“IsPETase是目前為止唯一一個通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種，而是屬於一種古老的角質酶，原本的作用是微生物用來分解植物角質的。”郭瑞庭介紹，古老的角質酶分解PET的活力非常低，但IsPETase卻能夠很好地分解PET。細菌如何把角質酶轉變成PET降解酶，其中的奧秘始終沒有被揭露。

該團隊長期從事蛋白質結構與功能分析，於2017年在國際上公佈了首個IsPETase的晶體結構與酶和底物類似物的複合體結構。郭瑞庭介紹：“通過比對IsPETase與角質酶的蛋白質結構，我們發現角質酶的底物結合區較為狹窄，比較適合作用於形狀細長的角質，而不利於作用在構造較為寬大的PET上。”

“製造”高效降解塑料的酶

為尋找更多具有降解PET活性的酶，團隊發現，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（色氨酸）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，但這個色氨酸側鏈的方向都是被固定住的，不能自由擺動。

為什麼同樣的色氨酸，在兩種相似的酶裏面會展現不同的構象變化呢？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？

團隊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2個側鏈較大的氨基酸（以下簡稱大二元體）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（以下簡稱小二元體），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PET降解酶最關鍵的條件。“考查密碼子可以發現，只需要突變3個鹼基就能夠將大二元體變成小二元體。”郭瑞庭説，而累積3個突變位點是有可能在短時間之內發生的——只需導入小二元體即可。這種快速的轉變，就像川劇裏的“變臉”一樣。

這些研究結論表明，微生物在短時間內選擇了突變角質酶來分解PET，這可能是產生PET降解酶快速有效的途徑。此外，導入小二元體能創制更多優質PET降解酶，團隊已經利用這個方法獲得了多個新型的PET降解酶，用這些酶，科學家將研發出更多生物可降解塑料。