可以吃塑料的細(xì)菌，吃塑料的細(xì)菌
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來源：科技日?qǐng)?bào)
科技日?qǐng)?bào)記者陳曦
塑料垃圾對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的污染已成為一個(gè)不容忽視的嚴(yán)重問題。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET) 是產(chǎn)量和消耗量最大的塑料之一，大多數(shù)礦泉水瓶都是由PET 制成的。
大多數(shù)PET廢棄物通過填埋或焚燒的方式進(jìn)行處理，但僅靠填埋并不能完全消除PET，而且焚燒會(huì)排放溫室氣體并造成二次污染。
湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院與科技部共建生物催化劑與酶工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的郭瑞廷教授、陳春奇教授團(tuán)隊(duì)通過研究，旨在適應(yīng)PET的積累細(xì)菌在一種古老的角質(zhì)酶中引入了突變，將其轉(zhuǎn)化為一種有效的PET 降解酶。
這一發(fā)現(xiàn)為創(chuàng)造更多性能優(yōu)越的PET降解酶提供了有效策略，目前團(tuán)隊(duì)正在利用該方法獲得多種新型PET降解酶并提高生物降解性，為塑料技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造重要價(jià)值。
相關(guān)研究成果于5月20日發(fā)表在權(quán)威期刊《自然·催化》（自然催化）上。
為什么這種細(xì)菌能“吃”塑料？
PET的塑料分類代號(hào)為1號(hào)，目前全球年產(chǎn)量約為7000萬噸。 PET具有防水、耐熱、耐酸堿腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食品、飲?*昂腿嗽煜宋納Ｄ殼�，PET的回收率仍維持在10%左右，且目前使用的物理和化學(xué)回收方法均存在局限性。因此，開發(fā)溫和、環(huán)保的生物降解方法來處理PET廢棄物是人類社會(huì)追求可持續(xù)發(fā)展的重要方向。
PET是一種聚酯聚合物，雖然理論上它可以被分解酯鍵的酶水解，但大量的芳香環(huán)和密集的結(jié)晶區(qū)域使得PET對(duì)酶介導(dǎo)的作用非常敏感，并且具有抵抗力。因此，尋找更有效的PET降解酶是生物降解PET技術(shù)發(fā)展的核心。
人們普遍認(rèn)為塑料是穩(wěn)定的，需要數(shù)百年才能自然分解。 2016年，吉田和同事在日本大阪附近的一個(gè)PET回收站分離出了一種細(xì)菌菌株Ideonella sakaiensis，它可以“吃掉”PET。這種細(xì)菌菌株分泌一種名為“IsPETase”的酶，可將PET 水解成小分子。分解的小分子被細(xì)菌吸收和利用。
“IsPETase 是唯一一種通過自然進(jìn)化產(chǎn)生的真正的PET 降解酶。然而，IsPETase 并不是一種全新的酶，而是屬于一種古老的酶種類，稱為‘角質(zhì)酶’。它最初的功能是被微生物用來降解植物中的角質(zhì)。郭瑞廷說，雖然古代降解PET的角質(zhì)酶活性很低，但I(xiàn)sPETase可以很好地水解PET，我做到了。 PET 出現(xiàn)不到70 年，細(xì)菌如何在如此短的時(shí)間內(nèi)將角質(zhì)酶轉(zhuǎn)化為PET 降解酶的謎團(tuán)仍未解開。
郭瑞廷教授和陳春奇教授團(tuán)隊(duì)多年來致力于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能分析，并于2017年在國際上發(fā)表了第一個(gè)IsPETase晶體結(jié)構(gòu)和第一個(gè)酶和底物類似物的復(fù)雜結(jié)構(gòu)公布。郭瑞廷說：“比較IsPETase和角質(zhì)酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)角質(zhì)酶的底物結(jié)合區(qū)域相對(duì)較窄，適合作用于細(xì)長形狀的角質(zhì)，但不適合作用于形狀不同的PET ”結(jié)果證明這很困難，”他說。更寬的結(jié)構(gòu)。 ”
高效分解“制造”PET塑料酶
為了進(jìn)一步尋找具有PET降解活性的酶，研究小組發(fā)現(xiàn)IsPETase底物結(jié)合區(qū)的組成與角質(zhì)酶相同，但I(xiàn)sPETase底物結(jié)合區(qū)中的W185可以自由擺動(dòng)。當(dāng)PET 與IsPETase 結(jié)合時(shí)，W185 被推下，在底物結(jié)合區(qū)域中騰出更多空間來容納PET。
所有角質(zhì)酶的色氨酸都位于相反的位置，但色氨酸側(cè)鏈的方向在所有角質(zhì)酶中都是固定的。
為什么相同的氨基酸在兩種相似的酶中表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)變化？這些細(xì)微的差異真的是IsPETase和角質(zhì)酶不同PET降解活性的關(guān)鍵因素嗎？
對(duì)色氨酸鄰近區(qū)域的進(jìn)一步分析表明，在所有角質(zhì)酶中，色氨酸由兩個(gè)具有較大側(cè)鏈（稱為大二聯(lián)體）的氨基酸支持：組氨酸和苯丙氨酸。旋轉(zhuǎn)。 IsPETase的W185下方有絲氨酸和異亮氨酸（稱為小二聯(lián)體），它們的側(cè)鏈基團(tuán)太小，無法固定W185，因此W185可以自由擺動(dòng)，IsPETase的底物結(jié)合區(qū)域可以“靈活”。
有趣的是，當(dāng)IsPETase的小二聯(lián)體被大二聯(lián)體取代時(shí)，PET降解活性顯著降低，相反，當(dāng)角質(zhì)酶的大二聯(lián)體被小二聯(lián)體取代時(shí)，PET降解活性降低。這表明大小二元組的轉(zhuǎn)換很可能是生產(chǎn)PET 降解酶的最重要條件。
“如果我們觀察密碼子，我們發(fā)現(xiàn)只需要突變?nèi)齻�(gè)堿基就可以將大二聯(lián)體變成小二聯(lián)體�！惫鹜⒄f，并補(bǔ)充說，三個(gè)突變位點(diǎn)的積累在短時(shí)間內(nèi)是可能的。它指出。只需通過杠桿引入小型二元策略即可。這種快速的變化類似于川劇中的“變臉”。
根據(jù)這些結(jié)果可以推斷，微生物選擇了突變角質(zhì)酶在短時(shí)間內(nèi)降解PET，表明這可能是一種快速有效的生產(chǎn)PET降解酶的方法。
此外，引入小二元實(shí)體是創(chuàng)造更多性能優(yōu)越的PET降解酶的有效策略，研究團(tuán)隊(duì)利用這種方法獲得了多種新型PET降解酶，通過這一系列新酶，生物降解塑料技術(shù)創(chuàng)造了重大的突破。價(jià)值。