可以吃塑料的细菌，吃塑料的细菌
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|来源：科技日报
科技日报记者陈曦
塑料垃圾对环境和生态系统的污染已成为一个不容忽视的严重问题。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET) 是产量和消耗量最大的塑料之一，大多数矿泉水瓶都是由PET 制成的。
大多数PET废弃物通过填埋或焚烧的方式进行处理，但仅靠填埋并不能完全消除PET，而且焚烧会排放温室气体并造成二次污染。
湖北大学生命科学学院与科技部共建生物催化剂与酶工程国家重点实验室的郭瑞廷教授、陈春奇教授团队通过研究，旨在适应PET的积累细菌在一种古老的角质酶中引入了突变，将其转化为一种有效的PET 降解酶。
这一发现为创造更多性能优越的PET降解酶提供了有效策略，目前团队正在利用该方法获得多种新型PET降解酶并提高生物降解性，为塑料技术的发展创造重要价值。
相关研究成果于5月20日发表在权威期刊《自然·催化》（自然催化）上。
为什么这种细菌能“吃”塑料？
PET的塑料分类代号为1号，目前全球年产量约为7000万吨。 PET具有防水、耐热、耐酸碱腐蚀等特点，广泛应用于食品、饮�**昂腿嗽煜宋纳Ｄ壳埃琍ET的回收率仍维持在10%左右，且目前使用的物理和化学回收方法均存在局限性。因此，开发温和、环保的生物降解方法来处理PET废弃物是人类社会追求可持续发展的重要方向。
PET是一种聚酯聚合物，虽然理论上它可以被分解酯键的酶水解，但大量的芳香环和密集的结晶区域使得PET对酶介导的作用非常敏感，并且具有抵抗力。因此，寻找更有效的PET降解酶是生物降解PET技术发展的核心。
人们普遍认为塑料是稳定的，需要数百年才能自然分解。 2016年，吉田和同事在日本大阪附近的一个PET回收站分离出了一种细菌菌株Ideonella sakaiensis，它可以“吃掉”PET。这种细菌菌株分泌一种名为“IsPETase”的酶，可将PET 水解成小分子。分解的小分子被细菌吸收和利用。
“IsPETase 是唯一一种通过自然进化产生的真正的PET 降解酶。然而，IsPETase 并不是一种全新的酶，而是属于一种古老的酶种类，称为‘角质酶’。它最初的功能是被微生物用来降解植物中的角质。郭瑞廷说，虽然古代降解PET的角质酶活性很低，但IsPETase可以很好地水解PET，我做到了。 PET 出现不到70 年，细菌如何在如此短的时间内将角质酶转化为PET 降解酶的谜团仍未解开。
郭瑞廷教授和陈春奇教授团队多年来致力于蛋白质结构和功能分析，并于2017年在国际上发表了第一个IsPETase晶体结构和第一个酶和底物类似物的复杂结构公布。郭瑞廷说：“比较IsPETase和角质酶的蛋白质结构，我们发现角质酶的底物结合区域相对较窄，适合作用于细长形状的角质，但不适合作用于形状不同的PET ”结果证明这很困难，”他说。更宽的结构。 ”
高效分解“制造”PET塑料酶
为了进一步寻找具有PET降解活性的酶，研究小组发现IsPETase底物结合区的组成与角质酶相同，但IsPETase底物结合区中的W185可以自由摆动。当PET 与IsPETase 结合时，W185 被推下，在底物结合区域中腾出更多空间来容纳PET。
所有角质酶的色氨酸都位于相反的位置，但色氨酸侧链的方向在所有角质酶中都是固定的。
为什么相同的氨基酸在两种相似的酶中表现出不同的结构变化？这些细微的差异真的是IsPETase和角质酶不同PET降解活性的关键因素吗？
对色氨酸邻近区域的进一步分析表明，在所有角质酶中，色氨酸由两个具有较大侧链（称为大二联体）的氨基酸支持：组氨酸和苯丙氨酸。旋转。 IsPETase的W185下方有丝氨酸和异亮氨酸（称为小二联体），它们的侧链基团太小，无法固定W185，因此W185可以自由摆动，IsPETase的底物结合区域可以“灵活”。
有趣的是，当IsPETase的小二联体被大二联体取代时，PET降解活性显着降低，相反，当角质酶的大二联体被小二联体取代时，PET降解活性降低。这表明大小二元组的转换很可能是生产PET 降解酶的最重要条件。
“如果我们观察密码子，我们发现只需要突变三个碱基就可以将大二联体变成小二联体。”郭瑞廷说，并补充说，三个突变位点的积累在短时间内是可能的。它指出。只需通过杠杆引入小型二元策略即可。这种快速的变化类似于川剧中的“变脸”。
根据这些结果可以推断，微生物选择了突变角质酶在短时间内降解PET，表明这可能是一种快速有效的生产PET降解酶的方法。
此外，引入小二元实体是创造更多性能优越的PET降解酶的有效策略，研究团队利用这种方法获得了多种新型PET降解酶，通过这一系列新酶，生物降解塑料技术创造了重大的突破。价值。