加點料細菌也能“吃”塑料 尋找更多塑料降解酶

自然界有一種能“吃”聚對苯二甲酸乙二酯(PET塑料)的細菌，它依靠一種特殊的酶將PET水解成可利用的小分子。目前為止還沒有找到第二種能“吃”PET的細菌。

這種細菌分泌的酶真的與眾不同嗎?為什么能在同類酶中脫穎而出，練就“吃”塑料的獨門絕技?

5月20日，《自然—催化》在線發(fā)表了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教授郭瑞庭團隊的最新成果，他們發(fā)現(xiàn)這種細菌在不到100年的時間內(nèi)進化出這種特殊的酶，具備與眾不同的結(jié)構(gòu)，使其能夠降解體積較大的PET分子。基于此，科學家可以開發(fā)出多種新型PET降解酶。

自然界獨一無二的塑料降解酶

塑料廢棄物在環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)中造成污染，這已成為一個嚴重問題。

PET是生產(chǎn)與消耗量最多的塑料之一，目前全球年產(chǎn)量已近7000萬噸。由于其防水、耐熱、抗酸堿腐蝕，所以大量運用在食品飲料包裝和人造纖維中，大多數(shù)礦泉水瓶原料就是PET。大部分PET廢棄物以土地掩埋或焚燒法來處理。

論文共同通訊作者郭瑞庭告訴《中國科學報》，PET的回收率僅有10%左右，而目前較常使用的物理或化學回收法都有其局限性。“因此，發(fā)展溫和綠色的生物降解法處理PET廢棄物，是人類社會尋求可持續(xù)發(fā)展的重要課題。”

PET為聚酯大分子，“理論上有可能被能夠降解酯鍵的酶所水解，然而大量的芳香環(huán)以及結(jié)構(gòu)致密的結(jié)晶區(qū)，使得PET對于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(fā)生物降解PET技術(shù)的核心”。論文共同第一作者、湖北大學教授陳純琪在接受《中國科學報》采訪時說。

塑料性質(zhì)穩(wěn)定，一般認為需要數(shù)百年時間才可能被自然分解。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。

這株細菌分泌的能夠?qū)ET水解成小分子的酶被稱為IsPETase，分解后的小分子MHET與TPA可以被這種細菌吸收利用。

“IsPETase是目前為止唯一在自然界演化產(chǎn)生的真正意義上的PET降解酶。”郭瑞庭說，不過，IsPETase并不是一個全新的酶，而是屬于一種古老的酶種——角質(zhì)酶。

論文共同通訊作者、湖北大學副教授戴隆海介紹，角質(zhì)酶原本是微生物用來分解植物角質(zhì)層的。研究發(fā)現(xiàn)，古老的角質(zhì)酶分解PET的活力非常低，但與角質(zhì)酶結(jié)構(gòu)非常相似的IsPETase卻能夠很好地水解PET。

“PET問世不到70年，細菌為何能夠在這么短的時間內(nèi)把角質(zhì)酶轉(zhuǎn)變成PET降解酶?”郭瑞庭說，其中的奧秘始終沒有被揭開。

解析大小二元體

郭瑞庭與陳純琪團隊長期從事蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析。此前，他們已經(jīng)聯(lián)手解析了IsPETase的晶體結(jié)構(gòu)。

2017年，他們首度在國際上報道了IsPETase的晶體結(jié)構(gòu)與酶和底物類似物的復合體結(jié)構(gòu)。

陳純琪介紹，他們發(fā)現(xiàn)，與經(jīng)典的角質(zhì)酶相比，IsPETase有3個主要結(jié)構(gòu)特征：IsPETase的第二底物結(jié)合域多了一段，可能與PET的結(jié)合有關;IsPETase比經(jīng)典的角質(zhì)酶多出一對二硫鍵，作用在于穩(wěn)定上述結(jié)構(gòu)域多出的一段;IsPETase第一底物結(jié)合域較為寬闊，這是因為一個關鍵的底物結(jié)合氨基酸W185采取多樣構(gòu)型，導致底物結(jié)合口袋可能出現(xiàn)較為寬闊的構(gòu)象。

2020年，他們又對比IsPETase與角質(zhì)酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)角質(zhì)酶的底物結(jié)合區(qū)較為狹窄，比較適合作用于形狀細長的角質(zhì)，而不利于作用在構(gòu)造較為寬大的PET上。

論文共同通訊作者、湖北大學副教授黃建文介紹，他們根據(jù)上述3個結(jié)構(gòu)特征尋找更多具有降解PET活性的酶。

然而，利用第一個和第二個特征找到的酶降解PET的活力依然很低。“于是我們轉(zhuǎn)而專注于第三項特征。”黃建文說。

于是，他們有了新發(fā)現(xiàn)。

論文共同第一作者、中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所助理研究員韓旭介紹，IsPETase底物結(jié)合區(qū)的組成與角質(zhì)酶是一樣的，但IsPETase底物結(jié)合區(qū)的氨基酸W185可以自由擺動。

“當PET結(jié)合到IsPETase上時，氨基酸W185會往下壓低一些。如此一來，底物結(jié)合區(qū)的空間就變得較為開闊，這樣就能夠容納較大的PET分子。”陳純琪說。

郭瑞庭告訴《中國科學報》，所有的角質(zhì)酶在相對位置都具有這個色氨酸，但是在所有角質(zhì)酶里面，這個色氨酸側(cè)鏈的方向都是固定的。為什么同樣的氨基酸，在兩種相似的酶里會展現(xiàn)不同的構(gòu)象變化呢?這么細微的差異真的是造成IsPETase與角質(zhì)酶降解PET活力高低不同的關鍵因素嗎?面對這兩個問題，郭瑞庭團隊開始了深入的解析。

研究人員進一步分析色氨酸鄰近的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)在所有角質(zhì)酶中，色氨酸下方由組氨酸與苯丙氨酸這兩個側(cè)鏈較大的氨基酸(簡稱大二元體)支撐著，它們就像支架一樣固定住了色氨酸，使其無法轉(zhuǎn)動。

而在IsPETase中，氨基酸W185下方則是絲氨酸和異亮氨酸(簡稱小二元體)，它們的側(cè)鏈基團較小，固定不住W185。“因此，W185就能自由擺動，IsPETase的底物結(jié)合區(qū)也就能夠伸縮自如了。”陳純琪說。

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(zhì)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。

尋找更多塑料降解酶

“由此可知，大小二元體的轉(zhuǎn)換極有可能就是產(chǎn)生一個PET降解酶最關鍵的條件。”戴隆海說，考察密碼子可以發(fā)現(xiàn)，只需要突變3個堿基就能夠?qū)⒋蠖w變成小二元體，而累積3個突變位點是有可能在短時間之內(nèi)發(fā)生的。

郭瑞庭認為，由此可以推論，為了快速適應生存環(huán)境中堆積的大量PET廢棄物，細菌在古老的角質(zhì)酶中導入突變，將之轉(zhuǎn)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(nèi)選擇了突變角質(zhì)酶來分解PET，顯示這可能是產(chǎn)生一個PET降解酶最快速有效的途徑。”郭瑞庭說，這些結(jié)果為大自然應對并分解塑料的演化過程提出理論根據(jù)，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(chuàng)制更多性質(zhì)優(yōu)良的PET降解酶的一個有效的策略。”陳純琪說，他們已經(jīng)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為發(fā)展生物降解塑料技術(shù)創(chuàng)造重要價值。(記者 李晨)

關鍵詞： 細菌 塑料降解酶 結(jié)構(gòu) 生物降解