加點料細(xì)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(xì)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(xì)菌。

這種細(xì)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(xué)生命科學(xué)學(xué)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(tuán)隊的最新成果，他們發(fā)現(xiàn)這種細(xì)菌在不到100年的時間內(nèi)進(jìn)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?；诖耍茖W(xué)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(yán)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(yùn)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(xué)報》，PET的回收率僅有10%左右，而目前較常使用的物理或化學(xué)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(dǎo)的作用有非常強(qiáng)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(xué)教授陳純琪在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。

塑料性質(zhì)穩(wěn)定，一般認(rèn)為需要數(shù)百年時間才可能被自然分解。2016年，日本科學(xué)家在大阪近郊的PET回收處分離了一株能“吃”PET的細(xì)菌Ideonella sakaiensis。

這株細(xì)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(xì)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(xué)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(xì)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(tuán)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(fù)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(guān);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(guān)鍵的底物結(jié)合氨基酸W185采取多樣構(gòu)型，導(dǎo)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(xì)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(xué)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I(xiàn)sPETase底物結(jié)合區(qū)的氨基酸W185可以自由擺動。

“當(dāng)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(xué)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(xì)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(guān)鍵因素嗎?面對這兩個問題，郭瑞庭團(tuán)隊開始了深入的解析。

研究人員進(jìn)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(tuán)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(guān)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(rèn)為，由此可以推論，為了快速適應(yīng)生存環(huán)境中堆積的大量PET廢棄物，細(xì)菌在古老的角質(zhì)酶中導(dǎo)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(yīng)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(jī)制的可能性。

此外，“導(dǎo)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(guān)鍵詞： 細(xì)菌 塑料降解酶 結(jié)構(gòu) 生物降解