能够直接降解塑料的酶——PET水解酶的最新研究进展

塑料制品的出现给人类的生活带来了很大的便利，但随之而来的白色污染却也让世界各国伤透了脑筋。其中聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）塑料占全球聚合物总量的18%，是白色污染的重要来源。PET性质稳定不易分解，广泛作为包装以及容器使用，其造成的废弃物数量巨大，大量难以分解的塑料垃圾堆弃在环境当中已经为全球生态系带来严重负担。目前对PET废弃物的处理方法有：填埋、焚烧以及回收利用，填埋和焚烧虽然最简单，但产生的废气废水会对环境造成二次污染。利用生物法（如使用降解酶或者微生物）将PET降解成组成分子，然后回收再利用是处理这类塑料最理想的方法，此法不但解决PET废弃物的问题，并且能够回收PET合成所需的原料。

长久以来科学界一直在寻找有效的PET生物降解方法，近期，来自日本的研究团队报道了一种可以“吃塑料”的神奇细菌Ideonella sakaiensis（Science, 2016, 351, 1196-1199，点击阅读相关），入选了C&EN的“Top Research of 2016”（点击阅读相关）。这株细菌能够附着在PET的表面，分泌一种新型的PET水解酶将PET降解成小片段，再将降解后的产物运入体内进一步“消化”，最终转化为乙二醇和对苯二甲酸这两种结构相对简单的有机物。这个发现对PET生物降解工程发展是一大振奋。首先，一株可以依靠PET作为能量来源生长的微生物被分离了出来，更重要的是，一个强而有力的PET水解酶终于问世。此前报导过的一些具有降解PET活性的酶种，其活力以及底物特异性都远远不及这一个新型的PET水解酶，而究竟是甚么原因使得这个酶如此特别，则需要分析蛋白质的结构来说明。

2016发表于Science 的吃塑胶的细菌及反应机理

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所郭瑞庭（点击查看介绍）研究团队成功利用X射线晶体学技术，首次解析了高分辨率的PET水解酶结构，更重要的是，团队首次获得了PET水解酶与其底物/产物类似物的复合体结构，这些结果对于了解PET水解酶如何识别底物有非常重要的意义。从整体的蛋白质结构比对看来，PET水解酶与先前报导的其他PET分解酶非常相像，唯有活性区的两个结构特征不同。第一，PET水解酶比其他酶种多出了一对二硫键，这对二硫键对于稳定活性中心催化三元体的结构至关重要，突变之后酶活大幅降低。第二，底物结合区的一个胺基酸W156侧链具有不同构型，当底物结合上去之后W156才被固定在了某个方向（此称为B-构型），并为底物的结合提供重要的作用力。有趣的是，这个W156位点在所有的PET分解酶当中都是保守的。但在其他活力较低的酶里面W156采用的是C构型，而这种C构型并不利于底物结合。更进一步分析PET水解酶中W156摆动的原因，发现其邻近的S185位点在其他的酶当中都是组胺酸，组胺酸与W156之间的堆叠作用力将W156的侧链固定在了C构型，如果将PET水解酶的S185突变成为组胺酸，PET的水解效率则显著降低。这些结果不但对于PET水解酶的研究有重要指导意义，对于酶学的研究也有重要提示，即氨基酸在不同的构型下可能展现不同功能，活性区以外的氨基酸也会影响到底物结合以及酶的活力，而解析高分辨率的蛋白质晶体结构对于这些深入的机理研究是不可或缺的。

本文所解析的PETase及底物类似物的复合体结构

这项研究成果有助于深入理解PET水解酶的分子作用机理，加快降解PET新酶的开发与利用。中科院天津工业生物所研究人员表示，目前正利用所获得的酶蛋白晶体结构信息，对PET水解酶进行理性设计和定向进化改造，使其变得更加“强大”。

PETase可能的催化机理

该研究获得国家自然科学基金、中科院创新交叉团队、中科院青年创新促进会等项目的支持。相关成果发表在Nature Communications 杂志上。Chemistry Views 第一时间以“Enzyme Breaks Down Plastics”为标题对该研究进行了推荐报道。^[1]

Chemistry Views 报道截图

中科院天津工业生物所郭瑞庭为该文通讯作者，助理研究员韩旭、副研究员刘卫东、台湾青年访问学者黄建文为论文共同第一作者。

该论文作者为：Xu Han, Weidong Liu, Jian-Wen Huang, Jiantao Ma, Yingying Zheng, Tzu-Ping Ko, Limin Xu, Ya-Shan Cheng, Chun-Chi Chen, Rey-Ting Guo

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Structural insight into catalytic mechanism of PET hydrolase

Nat. Commun., 2017, 8, 2106, DOI: 10.1038/s41467-017-02255-z

导师介绍

郭瑞庭

http://www.x-mol.com/university/faculty/43015

参考资料：

1.http://www.chemistryviews.org/details/news/10740245/Enzyme_Breaks_Down_Plastics.html