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(gè)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(diǎn)實(shí)驗室郭瑞庭教授和陳純琪教授團隊在前期工作基礎之上，對PET水解酶機制進(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(huì )-催化》上。

解析結構，助力PET水解酶改造

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

在所有塑料制品中，PET塑料使用量巨大，當前最常用來(lái)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(huì )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之一。

“要使PET達到最好的降解效果，需要水解酶能夠在PET玻璃態(tài)的溫度范圍內（65℃—70℃）或高于這個(gè)溫度下進(jìn)行反應。”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(guò)用酶清洗實(shí)現回收利用，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隊曾公布了一個(gè)耐熱角質(zhì)酶ICCG，它的最適反應溫度達到了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獨特的作用機制，我們也有可能從中得到啟發(fā)，獲得更具熱穩定性的PET水解酶。”陳純琪說(shuō)。

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

“我們充分運用了團隊在結構生物學(xué)和理性設計及改造方面的研究專(zhuān)長(cháng)，使用結構生物學(xué)的手段解析了ICCG的失活突變體（S165A）與底物MHET的復合體結構。”郭瑞庭解釋道，結構解析發(fā)現，MHET結合在酶表面的活性凹槽內，4個(gè)突變體中的2個(gè)位于MHET的結合位點(diǎn)附近，其中G127位于酶的表面，與MHET結合的活性凹槽鄰近，I243的存在擴大了底物結合通道，這可能增加了PET的結合能力，這個(gè)特征也揭示了I234突變體可能具有更高的PET水解活性。”

內外兼顧，實(shí)現PET高效水解

“有了復合體結構作為基礎，我們接下來(lái)的ICCG耐熱性改造就可以做到有的放矢。”陳純琪解釋說(shuō)，“為了增加耐熱性，我們采取內外兼顧的策略改造ICCG，即增加蛋白質(zhì)內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。我們共選擇并構建了27個(gè)突變體，其中有7個(gè)突變體在90℃時(shí)比ICCG具有更高的活性。”

團隊進(jìn)一步將這7個(gè)突變體組合突變，篩選獲得5個(gè)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定性增加的分子機制，結構生物學(xué)的手段被再次運用。結果顯示，突變分別在酶的外殼、中層、核心產(chǎn)生了穩定結構的效果，“我們猜測是這些個(gè)別效應疊加起來(lái)增進(jìn)了蛋白質(zhì)整體的耐熱性。”陳純琪說(shuō)。

本研究成果的獲得，更加清晰地闡述了PET水解酶的分子機制，同時(shí)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(gè)新的思路。