塑料制品的出現(xiàn)給人類的生活帶來了很大的便利，但隨之而來的白色污染卻也讓世界各國(guó)傷透了腦筋。其中聚對(duì)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，廣泛作為包裝以及容器使用，其造成的廢棄物數(shù)量巨大，大量難以分解的塑料垃圾堆棄在環(huán)境當(dāng)中已經(jīng)為全球生態(tài)系帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。目前對(duì)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(jiǎn)單，但產(chǎn)生的廢氣廢水會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。利用生物法（如使用降解酶或者微生物）將PET降解成組成分子，然后回收再利用是處理這類塑料最理想的方法，此法不但解決PET廢棄物的問題，并且能夠回收PET合成所需的原料。

長(zhǎng)久以來科學(xué)界一直在尋找有效的PET生物降解方法，近期，來自日本的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種可以“吃塑料”的神奇細(xì)菌Ideonella sakaiensis（Science, 2016, 351, 1196-1199，點(diǎn)擊閱讀相關(guān)），入選了C&EN的“Top Research of 2016”（點(diǎn)擊閱讀相關(guān)）。這株細(xì)菌能夠附著在PET的表面，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)物運(yùn)入體內(nèi)進(jìn)一步“消化”，最終轉(zhuǎn)化為乙二醇和對(duì)苯二甲酸這兩種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的有機(jī)物。這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)PET生物降解工程發(fā)展是一大振奮。首先，一株可以依靠PET作為能量來源生長(zhǎng)的微生物被分離了出來，更重要的是，一個(gè)強(qiáng)而有力的PET水解酶終于問世。此前報(bào)導(dǎo)過的一些具有降解PET活性的酶種，其活力以及底物特異性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及這一個(gè)新型的PET水解酶，而究竟是甚么原因使得這個(gè)酶如此特別，則需要分析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)來說明。

2016發(fā)表于Science 的吃塑膠的細(xì)菌及反應(yīng)機(jī)理

近日，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所郭瑞庭（點(diǎn)擊查看介紹）研究團(tuán)隊(duì)成功利用X射線晶體學(xué)技術(shù)，首次解析了高分辨率的PET水解酶結(jié)構(gòu)，更重要的是，團(tuán)隊(duì)首次獲得了PET水解酶與其底物/產(chǎn)物類似物的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，這些結(jié)果對(duì)于了解PET水解酶如何識(shí)別底物有非常重要的意義。從整體的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)看來，PET水解酶與先前報(bào)導(dǎo)的其他PET分解酶非常相像，唯有活性區(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(duì)二硫鍵，這對(duì)二硫鍵對(duì)于穩(wěn)定活性中心催化三元體的結(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)胺基酸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。有趣的是，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里面W156采用的是C構(gòu)型，而這種C構(gòu)型并不利于底物結(jié)合。更進(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，PET的水解效率則顯著降低。這些結(jié)果不但對(duì)于PET水解酶的研究有重要指導(dǎo)意義，對(duì)于酶學(xué)的研究也有重要提示，即氨基酸在不同的構(gòu)型下可能展現(xiàn)不同功能，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(duì)于這些深入的機(jī)理研究是不可或缺的。

本文所解析的PETase及底物類似物的復(fù)合體結(jié)構(gòu)

這項(xiàng)研究成果有助于深入理解PET水解酶的分子作用機(jī)理，加快降解PET新酶的開發(fā)與利用。中科院天津工業(yè)生物所研究人員表示，目前正利用所獲得的酶蛋白晶體結(jié)構(gòu)信息，對(duì)PET水解酶進(jìn)行理性設(shè)計(jì)和定向進(jìn)化改造，使其變得更加“強(qiáng)大”。

PETase可能的催化機(jī)理

該研究獲得國(guó)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 雜志上。Chemistry Views 第一時(shí)間以“Enzyme Breaks Down Plastics”為標(biāo)題對(duì)該研究進(jìn)行了推薦報(bào)道。[1]

Chemistry Views 報(bào)道截圖

中科院天津工業(yè)生物所郭瑞庭為該文通訊作者，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。

該論文作者為：Xu Han, Weidong Liu, Jian-Wen Huang, Jiantao Ma, Yingying Zheng, Tzu-Ping Ko, Limin Xu, Ya-Shan Cheng, Chun-Chi Chen, Rey-Ting Guo