科技日報記者 陳曦

在眾多塑料制品中，生產(chǎn)和使用最多的是聚對苯二甲酸乙二酯（PET）塑料，然而對于PET的降解和循環(huán)利用卻是一個國際難題。近日湖北大學(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郭瑞庭教授和陳純琪教授團(tuán)隊在前期工作基礎(chǔ)之上，對PET水解酶機(jī)制進(jìn)行了解析及性能提升改造，使之具有高效水解功能。該研究成果2月15日以封面文章發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)學(xué)會-催化》上。

解析結(jié)構(gòu)，助力PET水解酶改造

塑料制品的出現(xiàn)給人類的生活帶來了很大的便利，人們在享受這一便利的同時，也承受著塑料污染對自然環(huán)境和人類健康的巨大負(fù)面影響，全世界都在想盡辦法解決塑料污染問題。

在所有塑料制品中，PET塑料使用量巨大，當(dāng)前最常用來進(jìn)行PET的降解與循環(huán)再利用的方法需要加入有毒試劑，這不僅會造成二次污染，而且降解產(chǎn)物很難循環(huán)再利用。

發(fā)展綠色溫和的PET水解酶，并回收水解產(chǎn)物用于PET再生，一直是科研人員的目標(biāo)之一。

“要使PET達(dá)到最好的降解效果，需要水解酶能夠在PET玻璃態(tài)的溫度范圍內(nèi)（65℃—70℃）或高于這個溫度下進(jìn)行反應(yīng)。”陳純琪表示，如果能提高PET水解酶的耐熱性，一些PET塑料就能通過用酶清洗實現(xiàn)回收利用，就像含酶的洗滌劑可以分解臟衣服上的食物污漬一樣。

陳純琪注意到日本研究團(tuán)隊曾公布了一個耐熱角質(zhì)酶ICCG，它的最適反應(yīng)溫度達(dá)到了65 ℃，是已知PET水解酶中活力最高的。“ICCG為何不同于其他PET水解酶，水解活力和耐熱性都異常突出呢？如果能了解ICCG獨特的作用機(jī)制，我們也有可能從中得到啟發(fā)，獲得更具熱穩(wěn)定性的PET水解酶。”陳純琪說。

郭瑞庭、陳純琪一直深耕于PET水解酶領(lǐng)域，2017年團(tuán)隊在國際上首次解析了PET水解酶IsPETase的晶體結(jié)構(gòu)，隨后在2021年又首次發(fā)現(xiàn)了影響IsPETase水解PET的關(guān)鍵二元體。

“我們充分運(yùn)用了團(tuán)隊在結(jié)構(gòu)生物學(xué)和理性設(shè)計及改造方面的研究專長，使用結(jié)構(gòu)生物學(xué)的手段解析了ICCG的失活突變體（S165A）與底物MHET的復(fù)合體結(jié)構(gòu)。”郭瑞庭解釋道，結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，MHET結(jié)合在酶表面的活性凹槽內(nèi)，4個突變體中的2個位于MHET的結(jié)合位點附近，其中G127位于酶的表面，與MHET結(jié)合的活性凹槽鄰近，I243的存在擴(kuò)大了底物結(jié)合通道，這可能增加了PET的結(jié)合能力，這個特征也揭示了I234突變體可能具有更高的PET水解活性。”

內(nèi)外兼顧，實現(xiàn)PET高效水解

“有了復(fù)合體結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，我們接下來的ICCG耐熱性改造就可以做到有的放矢。”陳純琪解釋說，“為了增加耐熱性，我們采取內(nèi)外兼顧的策略改造ICCG，即增加蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水相互作用和增加蛋白質(zhì)表面脯氨酸的親水相互作用。我們共選擇并構(gòu)建了27個突變體，其中有7個突變體在90℃時比ICCG具有更高的活性。”

團(tuán)隊進(jìn)一步將這7個突變體組合突變，篩選獲得5個活性明顯提升的三突變體。最后，優(yōu)中選優(yōu)，得到3種活性更高且變性溫度比ICCG高出3℃的突變體（RIP、KIP和KRP）。

為了進(jìn)一步探索突變體熱穩(wěn)定性增加的分子機(jī)制，結(jié)構(gòu)生物學(xué)的手段被再次運(yùn)用。結(jié)果顯示，突變分別在酶的外殼、中層、核心產(chǎn)生了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的效果，“我們猜測是這些個別效應(yīng)疊加起來增進(jìn)了蛋白質(zhì)整體的耐熱性。”陳純琪說。

本研究成果的獲得，更加清晰地闡述了PET水解酶的分子機(jī)制，同時也證明了增加耐熱性對PET生物降解的重要性。為發(fā)展閉環(huán)式循環(huán)PET生物降解平臺提供了一個新的思路。