湖北大学科学家解析迄今最有效的PET水解酶晶体

作者：张馨予

PET（聚对苯二甲酸乙二酯，（polyethylene terephthalate）因制作成本低、防水、耐热、抗酸碱腐蚀等优势，在生活中被广泛地应用在饮食、药品包装、人造纤维及工程机械制造等领域。

然而，PET 因 " 降解难 " 成为白色污染的主要来源，即使环境湿度达到 100%，降解 PET 仍需要数百年。

因此，加速发展绿色、可持续的生物降解法回收 PET，让 PET 的原料实现循环再利用是应对该挑战的重点发展策略。

图丨 ACS Catalysis 当期封面（来源：ACS Catalysis）

近期，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室陈纯琪、郭瑞庭教授团队通过对一种目前已知最有效的 PET 水解酶改造，进而获得了新型 PET 水解酶，并且其活力更强、热稳定性更好。

并且，该团队还揭示了迄今活力最强的 PET 水解酶的分子机制，首次" 看见 "PET 水解酶结合 PET 的过程。" 该工作从源头揭示了 PET 水解酶的作用机制，为 PET 水解酶的后续研究与改造提供重要的指导方向。" 该论文共同通讯作者、湖北大学陈纯琪教授说。

相关论文以《最有效的 PET 水解酶结构机制解析及性能提升改造》（Substrate-Binding Mode of a Thermophilic PET Hydrolase and Engineering the Enzyme to Enhance the Hydrolytic Efficacy）为题，以封面论文的形式发表在 ACS Catalysis 上 [ 1 ] 。

湖北大学科学家解析迄今最有效的PET水解酶晶体

图丨相关论文（来源：ACS Catalysis）

揭示活力最强的 PET 水解酶与底物的复合体结构，为发展 PET 塑料的生物降解提供了重要的指导方向

该论文共同通讯作者、湖北大学郭瑞庭教授表示：" 利用微生物或者酶介导平台进行生物降解，是安全、环保、低能耗、对人类永续发展最理想的策略。" 因此，科学家一直聚焦于发展 PET 塑料酶降解方法，并回收水解产物用于 PET 再生。

那么，为何要利用 PET 水解酶降解 PET 呢？通过 PET 水解酶降解 PET 优势在于，其特异性高，不需要使用对环境有害的催化剂，而且降解的最终产物对苯二甲酸（terephthalic acid，TPA）作为 PET 原料，可用于重制符合商用标准的 PET，而非降级使用。

湖北大学科学家解析迄今最有效的PET水解酶晶体

图丨 ICCG 理性设计和改造（来源：ACS Catalysis）

该团队为找到性质更优良的酶，决定对 PET 水解酶进行机理研究与改造，并通过结构生物学的手段展开解析 ICCG 突变体与底物 MHET 的复合物晶体结构、探索其背后的机制。

若想让酶发挥作用，第一步就是结合底物。因此，探索酶与底物结合的复合体结构，是酶学研究最为重要的工作之一。而获得酶与底物的复合体结构信息，不仅能为酶的作用机理提出解释，还可以为改造酶提供重要基础。

研究人员在实验中发现，在 ICCG 的 4 个氨基酸突变中有 2 个（G127 和 I243）位于 MHET 结合位点附近。G127 位于蛋白质表面，靠近 MHET 结合裂隙。并且，I243 的取代扩大了底物结合隧道，可能增加 PET 与酶的结合能力。

湖北大学科学家解析迄今最有效的PET水解酶晶体

图丨陈纯琪教授（来源：陈纯琪）

据悉，研究过程中最大的挑战在于大量筛选突变体，逐一地表达纯化蛋白质以及分析每个酶的耐热与活性。" 绝大部分的改造都是没有效果的，但经过学生耐心、严谨地进行测试，最后找到了真正有效果的酶。" 陈纯琪说。

此外，提升 PET 降解酶的耐热性策略是发展生物降解 PET 塑料的重要方向，陈纯琪团队通过这种策略解决 PET 塑料降解酶的问题。陈纯琪表示，酶的耐热性和稳定性有一定的关联，一般而言，耐热的酶具有更佳的稳定性、不易损坏，可以长时间保持活力。因此，提高酶的稳定性有利于应用。

另外， PET 塑料本身不透水、结构致密，在常温下是稳定的固体，这时酶很难渗透到 PET 内部。降解作用可能仅限于 PET 表面，反应速率相对较低。当温度升高时，PET 的致密结构会舒展开，此时有利于酶的作用。

陈纯琪指出，" 目前报道较为有效的 PET 水解酶，大都需要在 50 ℃ 以上的条件下工作，这说明提升 PET 水解酶在高温环境下作用的必要性。此外，许多 PET 塑料产品添加了增强剂或者复合塑料进行强化。"

而在该工作中陈纯琪与团队发现，添加玻璃纤维后的 PET 比单一的 PET 材料更难降解，需要使用更高的反应温度。