◎科技日報記者 陳曦

塑料廢棄物在環境和生态系統中造成的污染, 已經成為不可忽視的嚴重問題。聚對苯二甲酸乙二酯 (polyethylene terephthalate，PET)，是生産與消耗量最多的塑料之一，大多數礦泉水瓶原料就是PET。

大部分PET廢棄物以土地掩埋或焚燒法來處理，但掩埋法無法徹底消除PET，焚燒則會産生溫室氣體排放造成二次污染。

湖北大學生命科學學院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室的郭瑞庭教授與陳純琪教授團隊，經過研究推論出，細菌為快速适應堆積的PET廢棄物，在古老的角質酶中導入突變，使之轉變成高效的PET降解酶。

這個發現為創制更多性質優良PET降解酶提供有效策略，目前團隊已利用這個方法獲得多個新型的PET降解酶，為發展生物降解塑料技術創造重要價值。

相關研究成果5月20日發表在權威期刊《‏自然·催化》（Nature Catalysis）上。

這種細菌為啥能“吃”塑料

PET的塑料分類代号為1号，目前全球年産量已近七千萬噸。PET防水、耐熱、抗酸堿腐蝕，所以大量的運用在食品飲料包裝和人造纖維制作。目前，PET的回收率僅有10%左右，而目前較常使用的物理或化學回收法都有其限制。因此，發展溫和綠色的生物降解法來處理PET廢棄物，是人類社會尋求可持續發展的重要方向。

PET為聚酯大分子，理論上有可能被降解酯鍵的酶所水解，然而大量的芳香環以及結構緻密的結晶區，使得PET對于酶介導的作用有非常強的抗性。因此，尋找更為有效的PET降解酶是開發生物降解PET技術的核心。

塑料的性質穩定，一般認為需要數百年的時間才可能被自然分解。2016年，Yoshida等人在日本大阪近郊的PET回收處分離了一株能“吃”PET的細菌— Ideonella sakaiensis。這株細菌分泌一個能夠将PET水解成小分子的酶，稱“IsPETase”。分解後的小分子就可以被細菌吸收利用。

“IsPETase是目前為止唯一一個透過自然演化過程産生的真正意義上的PET降解酶。然而，IsPETase并不是一個全新的酶，而是屬于一種古老的酶種— ‘角質酶’，原本的作用是微生物用來分解植物角質的。”郭瑞庭介紹，古老的角質酶分解PET的活力非常低，但IsPETase卻能夠很好的水解PET。PET問世不到70年，細菌如何能夠在短短的時間内把角質酶轉變成PET降解酶，其中的奧秘始終沒有被揭露。

郭瑞庭教授與陳純琪教授團隊長期從事蛋白質結構與功能分析，于2017年首度在國際上公布了首個IsPETase的晶體結構與酶和底物類似物的複合體結構。郭瑞庭介紹：“透過比對IsPETase與角質酶的蛋白質結構，我們發現角質酶的底物結合區較為狹窄，比較适合作用在形狀細長的角質，而不利于作用在構造較為寬大的PET上。”

“制造”高效降解PET塑料酶

為尋找更多具有降解PET活性的酶，團隊發現，IsPETase底物結合區的組成與角質酶是一樣的，但IsPETase底物結合區的W185可以自由擺動。當PET結合到IsPETase上時，W185會被往下壓低一些，如此一來底物結合區的空間就變得較為開闊，也才能夠容納PET。

所有的角質酶在相對的位置都具有這個色氨酸，但是在所有角質酶裡面，這個色氨酸側鍊的方向都是被固定住的。

為什麼同樣的氨基酸，在兩種相似的酶裡面會展現不同的構像變化呢？這麼細微的差異，真的是造成IsPETase與角質酶降解PET活力高低不同的關鍵因素嗎？

圖片說明：IsPETase與其他經典角質酶活性區關鍵差異。IsPETase活性區當中負責結合底物的W185展現三種不同構像，結合了底物的是藍色構像。在其他角質酶中W185相對應的色氨酸則是紅色的構像，并不利于結合PET。

進一步分析色氨酸鄰近的區域發現，在所有角質酶中，色氨酸下方有組氨酸與苯丙氨酸這兩個側鍊較大的氨基酸(簡稱大二元體)支撐着，它們就像支架一樣固定住了色氨酸使其無法轉動。而在IsPETase中W185下方則是絲氨酸和異亮氨酸(簡稱小二元體)，它們的側鍊基團較小固定不住W185，因此W185就能自由擺動，IsPETase的底物結合區也就能夠“伸縮自如”了。

有趣的是，将IsPETase的小二元體換成大二元體，PET降解的活性就會大幅下降, 反之将角質酶中的大二元體換成小二元體，降解PET的活性就會大幅提升。由此可知，大小二元體的轉換極有可能就是産生一個PET降解酶最關鍵的條件。

“考查密碼子可以發現，隻需要突變三個堿基就能夠将大二元體變成小二元體。”郭瑞庭說，而累積三個突變位點是有可能在短時間之内發生的，那就是隻需透過利用導入小二元體的策略。這種快速的轉變，就像川劇裡的“變臉”一樣。

根據這些結果可以推論，微生物在短時間内選擇了突變角質酶來分解PET，顯示這可能是産生一個PET降解酶快速有效的途徑。

此外，導入小二元體是創制更多性質優良的PET降解酶的一個有效策略，團隊已經利用這個方法獲得了多個新型的PET降解酶，而這一系列的新酶将對發展生物降解塑料技術創造重要價值。

來源：科技日報 文中圖片均由受訪者提供

來源： 科技日報

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