湖北大学科学家解析迄今最有效的PET水解酶晶体结构，为生物降解塑料的应用提供酶分子...
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麻省理工科技评论-湖北大学科学家解析迄今最有效的PET水解酶晶体结构，为生物降解塑料的应用提供酶分子机制证明
PET（聚对苯二甲酸乙二酯，（polyethylene terephthalate）因制作成本低、防水、耐热、抗酸碱腐蚀等优势，在生活中被广泛地应用在饮食、药品包装、人造纤维及工程机械制造等领域。
然而，PET 因“降解难”成为白色污染的主要来源，即使环境湿度达到 100%，降解 PET 仍需要数百年。
因此，加速发展绿色、可持续的生物降解法回收 PET，让 PET 的原料实现循环再利用是应对该挑战的重点发展策略。
近期，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陈纯琪、郭瑞庭教授团队通过对一种目前已知最有效的 PET 水解酶改造，进而获得了新型 PET 水解酶，并且其活力更强、热稳定性更好。
并且，该团队还揭示了迄今活力最强的 PET 水解酶的分子机制，首次“看见”PET 水解酶结合 PET 的过程。“该工作从源头揭示了 PET 水解酶的作用机制，为 PET 水解酶的后续研究与改造提供重要的指导方向。”该论文共同通讯作者、湖北大学陈纯琪教授说。
相关论文以《最有效的 PET 水解酶结构机制解析及性能提升改造》（Substrate-Binding Mode of a Thermophilic PET Hydrolase and Engineering the Enzyme to Enhance the Hydrolytic Efficacy）为题，以封面论文的形式发表在 ACS Catalysis 上[1]。
揭示活力最强的 PET 水解酶与底物的复合体结构，为发展 PET 塑料的生物降解提供了重要的指导方向
该论文共同通讯作者、湖北大学郭瑞庭教授表示：“利用微生物或者酶介导平台进行生物降解，是安全、环保、低能耗、对人类永续发展最理想的策略。”因此，科学家一直聚焦于发展 PET 塑料酶降解方法，并回收水解产物用于 PET 再生。
那么，为何要利用 PET 水解酶降解PET呢？通过 PET 水解酶降解 PET 优势在于，其特异性高，不需要使用对环境有害的催化剂，而且降解的最终产物对苯二甲酸（terephthalic acid，TPA）作为 PET 原料，可用于重制符合商用标准的 PET，而非降级使用。
该团队为找到性质更优良的酶，决定对 PET 水解酶进行机理研究与改造，并通过结构生物学的手段展开解析 ICCG 突变体与底物 MHET 的复合物晶体结构、探索其背后的机制。
若想让酶发挥作用，第一步就是结合底物。因此，探索酶与底物结合的复合体结构，是酶学研究最为重要的工作之一。而获得酶与底物的复合体结构信息，不仅能为酶的作用机理提出解释，还可以为改造酶提供重要基础。
研究人员在实验中发现，在 ICCG 的 4 个氨基酸突变中有 2 个（G127 和 I243）位于 MHET 结合位点附近。G127 位于蛋白质表面，靠近 MHET 结合裂隙。并且，I243 的取代扩大了底物结合隧道，可能增加 PET 与酶的结合能力。
据悉，研究过程中最大的挑战在于大量筛选突变体，逐一地表达纯化蛋白质以及分析每个酶的耐热与活性。“绝大部分的改造都是没有效果的，但经过学生耐心、严谨地进行测试，最后找到了真正有效果的酶。”陈纯琪说。
此外，提升 PET 降解酶的耐热性策略是发展生物降解 PET 塑料的重要方向，陈纯琪团队通过这种策略解决 PET 塑料降解酶的问题。陈纯琪表示，酶的耐热性和稳定性有一定的关联， 一般而言，耐热的酶具有更佳的稳定性、不易损坏，可以长时间保持活力。因此， 提高酶的稳定性有利于应用。
另外， PET 塑料本身不透水、结构致密，在常温下是稳定的固体， 这时酶很难渗透到 PET 内部。降解作用可能仅限于 PET 表面，反应速率相对较低。当温度升高时，PET 的致密结构会舒展开， 此时有利于酶的作用。
陈纯琪指出，“目前报道较为有效的 PET 水解酶，大都需要在 50℃ 以上的条件下工作，这说明提升 PET 水解酶在高温环境下作用的必要性。此外，许多 PET 塑料产品添加了增强剂或者复合塑料进行强化。”
而在该工作中陈纯琪与团队发现，添加玻璃纤维后的 PET 比单一的 PET 材料更难降解，需要使用更高的反应温度。
总的来说，该团队报道了当前最耐热、活力最高的 PET 水解酶与底物的复合体结构，明确指出这个酶与底物的结合方式，并证明了在 PET 生物降解过程中提高酶的热稳定性的好处。
从发现能“吃”塑料的细菌，到探索酶演化成降解 PET 的可能
陈纯琪团队长期从事蛋白质结构解析的工作，以 X 光衍射技术以及冷冻电子显微镜的手段来解析蛋白质结构，其研究对象包括塑料降解酶、萜类合成酶、毒素分解酶、P450 酶等。
除了针对酶的机理与应用研究，他们也致力于开发新型药物，为医药生物科技产业的发展提供思路与突破。本次科研进展离不开该团队长期在领域内的长期探索，并为新成果奠定良好的基石。
自从发现 PET 塑料可能被酶水解以来，科学界对于哪一种酶能更好地水解 PET 有共识。但是，这些酶天然的作用对象并非 PET，而是角质或者脂肪酸，水解 PET 只是其副反应，始终没有酶与 PET 底物的复合体结构的相关报道。
由于天然底物与 PET 的组成不尽相同，所以这些酶的活力并不高，反应速率也非常缓慢。因此，科学家对于该方向一直用模拟底物结合模式的方法进行研究。
2016 年，日本的研究团队在大阪附近的 PET 塑料回收场分离了一株可以靠“吃” PET 生长的细菌 Ideonella sakaiensis，这株细菌分泌了一种被称为“IsPETase”的酶，它在常温下水解 PET 的活力高于之前报道所有的酶。
陈纯琪团队意识到，这是第一个在自然界中演化而来的PET水解酶。因此，他们开始研究 IsPETase，并首次解析了 PET 水解酶与底物类似物的复合体结构，并成功推导出自然界如何快速演化出 PET 水解酶的机理[2] ，为后续的相关研究奠定了重要的基础。
实际上，PET 塑料问世仅 70 多年, 自然界还来不及演化出真正的 PET 水解酶, 那么，IsPETase又是怎么来的呢? 有意思的是，IsPETase 与一种古老的酶（角质酶）有近 50% 的序列相似性。基于此，陈纯琪团队推测细菌可能透过改变角质酶而产生了 IsPETase。
通过摸索，他们 2021 年发表在 Nature Catalysis 的研究证明，最少只需要三个突变位点就可能把一个角质酶转变成 PET 水解酶[3]。事实上，PET 的成分来自于石油，本质上是碳氢化合物，与植物的生物质有类似的组成成分。于是，该团队进一步推测，除了 PET，自然界也可能透过改变其他古老的生物质降解酶，来降解各种不同塑料。
2020 年在 Nature Reviews Chemistry 发表的综述中，该团队汇整了所有生物质组成以及能够降解生物质的酶，并且探讨这些酶演化成为降解 PET 甚至于是其他种塑料的可能性[4]，为发展 PET 以及其他塑料的生物降解法提供了新思路。
未来将继续对 PET 水解酶升级改造
当前通过酶降解 PET 的难题是其制作成本低于回收成本，因此，如何把回收的成本降低到能商业应用的范围，是该领域最大的挑战之一。所以，找到更优良的酶，同时进一步地提高酶的产量，是解决该领域困境的核心要素。
陈纯琪表示，“我们发现单一的 PET 塑料能被酶有效水解，但面对更复杂的复合型材料，还是需要使用性能更强的 PET 水解酶。因此，未来将继续对 PET 水解酶进行升级改造。”
优良的酶需要具备高效的水解能力与稳定性，同时也需要能够大量生产的平台，进而降低酶的成本。接下来，该团队将聚焦于提高酶的稳定性与产量。
“有些酶虽然活力好，但真正大量制造时产量却提不上去。所以，需要尽快对后续生产工艺进行摸索。”陈纯琪说。据悉，针对改造后的酶该团队已申请相关专利，同时也在和一些企业接洽后续的产业化合作。
当前，过多的塑料废弃物对地球生态环境已经造成严重影响，各国政府与科学界也在积极推动 PET 生物降解的发展。陈纯琪认为，该技术会很快地在生产线上进行试验。她指出，酶的生产需要发酵工厂的技术支持，国内的发酵工艺处于世界领先地位，只要找到优势的酶，现有的设备与技术应该足以对生产进行测试。
除了优化酶与生产酶，还需要塑料回收厂的支持。对此，陈纯琪解释道：“回收的 PET 塑料可能需要筛选和再打粒等前处理以增进酶降解的效能，并且，需要建立回收降解产物的平台，这些都需要产业界与其他领域专家的共同努力。”
陈纯琪认为，挖掘与改造酶的相关工作或许会较早地被应用，因为科学界已经为之奋斗了多年，也已找到许多优秀的水解酶。她指出，当前应该推动建立适用于生物降解法的 PET 塑料前处理，以及水解后 TPA 的回收方法，尽快在实际的应用层面上进行测试。
“尽管基础较好，但现在完全不是停下脚步的时候，我们必须不停提升酶的性质与产量，即便是建立生产线后，酶的改造仍然应该继续以持续优化工艺。”她说。
-End-
参考：
1.Zeng, W.,et al. ACS Catalysis 12, 3033-3040 (2022). https://doi.org/10.1021/acscatal.1c05800
2.Han, X., Liu, W., Huang, JW. et al. Structural insight into catalytic mechanism of PET hydrolase. Nature Communications 8, 2106 (2017). https://doi.org/10.1038/s41467-017-02255-z
3. Chen, CC., Han, X., Li, X. et al. General features to enhance enzymatic activity of poly(ethyleneterephthalate) hydrolysis. Nature Catalysis 4, 425–430 (2021). https://doi.org/10.1038/s41929-021-00616-y
4. Chen, CC., Dai, L., Ma, L. et al. Enzymatic degradation of plant biomass and synthetic polymers. Nature Reviews Chemistry 4, 114–126 (2020). https://doi.org/10.1038/s41570-020-0163-6
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