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天津工业生物所在能够直接降解塑料的酶——PET水解酶方面取得新进展
  发布时间:2018-02-01    供稿部门:结构生物学与蛋白酶学研究组

  塑料制品在给人类生活带来便利的同时,引起白色污染,已经为全球生态系带来严重负担。其中聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalatePET)塑料占全球聚合物总量的18%,是白色污染的重要来源。PET性质稳定不易分解,被广泛的作为包装及容器使用目前对PET废弃物的处理方法有填埋、焚烧以及回收利用,填埋和焚烧虽然最简单,但产生的废气废水会对环境造成二次污染。而利用生物法(如酶降解或者微生物降解)PET降解成组成分子, 然后回收再利用是最理想的方法,不但解决了PET废弃物的问题,而且能够回收利用PET成原料。 

  长久以来科学界一直在寻找有效的PET生物降解方法。近期,日本的研究团队(Yoshida, S. et al. Science 351, 1196–1199 , 2016)报道了一种可吃塑料神奇细菌(Ideonella sakaiensis。这株细菌能够附着在PET表面,分泌一种新型的PET水解PET降解成小片段,再将降解后的产物转运入体内进一步消化,最终转化为乙二醇和对苯二甲酸这两种结构相对简单的有机物。该种新型的PET水解酶的活力及底物特异性远高于此前报导过的PET酶,阐明PET水解酶的降解机理,对理解PET塑料的降解过程及实现PET水解酶的工业化应用具有重要意义。 

  近日,中国科学院天津工业生物技术研究所郭瑞庭研究员带领的结构生物学与蛋白酶学研究团队利用X光晶体学技术,成功的解析了这种新型的PET水解酶的高分辨率结构,同时,团队首次获得了PET水解酶与其底物类似物的复合体结构,这些结果对了解PET水解酶如何识别底物具有非常重要的意义。从整体的蛋白质结构比对看来,PET水解酶与先前报导的其他PET分解酶非常相像,只有活性区的两个结构特征不同。第一,PET水解酶比其他酶种多出了一对二硫键,这对二硫键对于稳定活性中心催化三联体的结构至关重要,突变之后酶活大幅降低。第二,底物结合区的一个氨基酸W156侧链具有不同构型,当底物结合上去之后W156才被固定在了某个方向 (称为B-构型)并为底物的结合提供重要的作用力。这个W156位点在所有的PET分解酶当中都是保守的,但在其他活力较低的酶中,W156采用的是C构型,而这种C构型并不利于底物PET结合。进一步分析PET水解酶中W156摆动的原因,发现其邻近的S185位点在其他的类似酶当中都是组胺酸,组胺酸与W156之间的堆叠作用力将W156的侧链固定在了C构型,如果将PET水解酶的S185突变成为组胺酸,其对PET的水解效率显著降低。这些结果对PET水解酶甚至对酶学的研究都具有重要指导意义,即氨基酸在不同的构型下可能表现出不同的功能,活性区以外的氨基酸也会影响到底物结合以及酶的活力,而解析高分辨率的蛋白质晶体结构对于这些深入的机理研究是不可或缺的。这项研究成果有助于深入理解PET水解酶的分子作用基础,加快降解PET新酶的开发与利用。研究团队目前正在利用所获得的结构学信息,对PET水解酶进行更加深入的理性设计和定向进化改造。 

  该研究获得国家自然科学基金、中科院创新交叉团队、中科院青年创新促进会等项目的支持。相关成果发表在Nature Communications期刊。Chemistry Views “Enzyme Breaks Down Plastics”为题对该研究进行了推荐报道。天津工业生物所助理研究员韩旭、副研究员刘卫东、台湾青年访问学者黄建文为论文共同第一作者。    

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图1 PET水解酶的整体结构 

图2 W156侧链的不同构型 

图3 PETase可能的催化机理 

图4  Chemistry Views报道 

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