塑料制品在給人類生活帶來便利的同時(shí)，引起白色污染，已經(jīng)為全球生態(tài)系帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。其中聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）塑料占全球聚合物總量的18%，是白色污染的重要來源。PET性質(zhì)穩(wěn)定不易分解，被廣泛的作為包裝及容器使用。目前對PET廢棄物的處理方法有填埋、焚燒以及回收利用，填埋和焚燒雖然最簡單，但產(chǎn)生的廢氣廢水會(huì)對環(huán)境造成二次污染。而利用生物法(如酶降解或者微生物降解)將PET降解成組成分子, 然后回收再利用是最理想的方法，不但解決了PET廢棄物的問題，而且能夠回收利用PET的合成原料。
長久以來科學(xué)界一直在尋找有效的PET生物降解方法。近期，日本的研究團(tuán)隊(duì)（Yoshida, S. et al. Science 351, 1196–1199 , 2016）報(bào)道了一種可以“吃塑料”的神奇細(xì)菌（Ideonella sakaiensis）。這株細(xì)菌能夠附著在PET表面，分泌一種新型的PET水解酶將PET降解成小片段，再將降解后的產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)入體內(nèi)進(jìn)一步“消化”，最終轉(zhuǎn)化為乙二醇和對苯二甲酸這兩種結(jié)構(gòu)相對簡單的有機(jī)物。該種新型的PET水解酶的活力及底物特異性遠(yuǎn)高于此前報(bào)導(dǎo)過的PET酶，闡明PET水解酶的降解機(jī)理，對理解PET塑料的降解過程及實(shí)現(xiàn)PET水解酶的工業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。
近日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所郭瑞庭研究員帶領(lǐng)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)與蛋白酶學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用X光晶體學(xué)技術(shù)，成功的解析了這種新型的PET水解酶的高分辨率結(jié)構(gòu)，同時(shí)，團(tuán)隊(duì)首次獲得了PET水解酶與其底物類似物的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，這些結(jié)果對了解PET水解酶如何識(shí)別底物具有非常重要的意義。從整體的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對看來，PET水解酶與先前報(bào)導(dǎo)的其他PET分解酶非常相像，只有活性區(qū)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)特征不同。第一，PET水解酶比其他酶種多出了一對二硫鍵，這對二硫鍵對于穩(wěn)定活性中心催化三聯(lián)體的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，突變之后酶活大幅降低。第二，底物結(jié)合區(qū)的一個(gè)氨基酸W156側(cè)鏈具有不同構(gòu)型，當(dāng)?shù)孜锝Y(jié)合上去之后W156才被固定在了某個(gè)方向 (此稱為B-構(gòu)型)，并為底物的結(jié)合提供重要的作用力。這個(gè)W156位點(diǎn)在所有的PET分解酶當(dāng)中都是保守的，但在其他活力較低的酶中，W156采用的是C構(gòu)型，而這種C構(gòu)型并不利于底物PET結(jié)合。進(jìn)一步分析PET水解酶中W156擺動(dòng)的原因，發(fā)現(xiàn)其鄰近的S185位點(diǎn)在其他的類似酶當(dāng)中都是組胺酸，組胺酸與W156之間的堆疊作用力將W156的側(cè)鏈固定在了C構(gòu)型，如果將PET水解酶的S185突變成為組胺酸，其對PET的水解效率顯著降低。這些結(jié)果對PET水解酶甚至對酶學(xué)的研究都具有重要指導(dǎo)意義，即氨基酸在不同的構(gòu)型下可能表現(xiàn)出不同的功能，活性區(qū)以外的氨基酸也會(huì)影響到底物結(jié)合以及酶的活力，而解析高分辨率的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)對于這些深入的機(jī)理研究是不可或缺的。這項(xiàng)研究成果有助于深入理解PET水解酶的分子作用基礎(chǔ)，加快降解PET新酶的開發(fā)與利用。研究團(tuán)隊(duì)目前正在利用所獲得的結(jié)構(gòu)學(xué)信息，對PET水解酶進(jìn)行更加深入的理性設(shè)計(jì)和定向進(jìn)化改造。
圖1 PET水解酶的整體結(jié)構(gòu)
圖2 W156側(cè)鏈的不同構(gòu)型
圖3 PETase可能的催化機(jī)理
該研究獲得國家自然科學(xué)基金、中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的支持。相關(guān)成果發(fā)表在Nature Communications期刊。Chemistry Views 以“Enzyme Breaks Down Plastics”為題對該研究進(jìn)行了推薦報(bào)道。天津工業(yè)生物所助理研究員韓旭、副研究員劉衛(wèi)東、臺(tái)灣青年訪問學(xué)者黃建文為論文共同第一作者。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-02255-z
報(bào)道鏈接：http://www.chemistryviews.org/details/news/10740245/Enzyme_Breaks_Down_Plastics.html
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