學生  |  教工  |  校友  |  考生  |  訪客   
English?
  • 新聞網
  • 智慧服務中心
  • 辦公系統
  • 郵箱系統
  • 信息公開

湖大要聞

您的當前位置: 網站首頁  >  湖大要聞  >  正文

《中國科學報》頭版頭條報道:郭瑞庭教授團隊PET塑料降解酶研究取得重大突破

作者:   编辑:鲜文涛    来源: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  发布时间:2021/05/23

塑料废弃物在环境和生态系统中造成的污染,已经成为不可忽视的严重问题,而塑料降解技术研发一直是世界难题。湖北大學生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室郭瑞庭教授团队揭示了创制更多性质优良PET降解酶的有效策略,将对发展生物降解塑料技术创造重要价值,相关成果5月20日发表在Nature Catalysis(《自然—催化》;IF:30.471)上。5月21日,《中国科学报》头版头条对此研究成果进行了报道。

自然界獨一無二的PET降解酶

聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET),俗称涤纶,是生产与消耗量最多的塑料之一,大量运用在食品饮料包装和人造纤维制作,目前全球年产量已近七千万吨。发展温和绿色的生物降解法来处理PET废弃物,是人类社会寻求永续发展的重要方向圖一

PET爲聚酯大分子,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致密的結晶區,使得PET對于酶介導的作用有非常強的抗性,因此,尋找更爲有效的PET降解酶是開發生物降解PET技術的核心。

圖一、PET塑料單體、聚合體、産品,以及廢棄物處理的主要手段。

2016年,日本科學家在大阪近郊的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將PET水解成小分子的酶,稱“IsPETase”,分解後的小分子MHET與TPA就可以被細菌吸收利用

IsPETase是目前爲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並不是一個全新的酶,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。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內把角質酶轉變成PET降解酶,其中的奧秘始終沒有被揭露。

圖二、PET生物降解機制。I. sakaiensis降解代谢PET途径简圖。I. sakaiensis表達IsPETase與MHETase將PET降解成TPA單體後,在胞內進行TPA代謝。

大小二元體的轉換是産生PET降解酶的關鍵

湖北大學生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室里郭瑞庭教授与陈纯琪教授团队长期从事蛋白质结构与功能分析,于2017年首度在国际上报道了首个IsPETase的晶體結構與酶和底物類似物的複合體結構(Nature communications,2017,vol.8,p.2106)。

與經典的角質酶比對,IsPETase有三個主要結構特征:(1)IsPETase的第二底物结合域多了一段loop 241-245,可能与拓展PET的结合有关;(2)IsPETase比经典的角质酶多出一对二硫键DS1,作用在于稳定loop 241-245;(3)IsPETase第一底物结合域较为宽阔,这是因为一个关键的底物结合氨基酸W185采取多样构型(W185 wobbling),导致底物结合口袋可能出现较为宽阔的构像(圖三)

郭瑞庭教授團隊多年來在這個領域持續進行深入研究,透過比對IsPETase与角质酶的蛋白质结构,发现角质酶的底物结合区较为狭窄,比较适合作用在形状细长的角质,而不利于作用在构造较为宽大的PET上,详细介绍发表在2020年3月的Nature Reviews Chemistry封面文章中

圖三、PET降解酶結構特征。(A)IsPETase与底物类似物复合体结构(PDB ID,5XH3),红色虚线框:活性中心的催化三联体,黑色虚线框:底物结合域。(B)IsPETase特有之結構特征。

圖四、20203Nature Reviews Chemistry封面文章。郭瑞庭教授團隊統整各種高分子生物降解機理,特別針對酶的結構特性與底物結合模式進行討論,找尋其中的關聯以及微生物因應人造物質出現的演化方向,爲生物質資源的利用與塑料生物降解提供未來展望。

團隊曾經根據上述第一以及第二項特征來尋找更多具有降解PET活性的酶,但是這些酶降解PET的活力依然很低,于是團隊轉而專注于第三項特征。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爲開闊,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,但是在所有角質酶裏面,這個色氨酸側鏈的方向都是固定的。爲什麽同樣的氨基酸,在兩種相似的酶裏面會展現不同的構像變化呢?這麽細微的差異,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?

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,並不利于結合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鏈較大的氨基酸(簡稱大二元體,)支撐著,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,),它們的側鏈基團較小固定不住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,將IsPETase的小二元體換成大二元體,PET降解的活性就會大幅下降,反之將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降解酶最關鍵條件。考查密碼子可以發現,只需要突變三個堿基就能夠將大二元體變成小二元體,而累積三個突變位點是有可能在短時間之內發生的,只需要透過利用導入小二元體的策略

、郭瑞庭團隊測試了8個角質酶,發現其中6個角質酶導入Ser/Ile二元突變可創制新型PET降解酶。圖为六个有明显效果的酶降解PET所得产物的HPLC层析圖谱,黑色线为野生型带有大二元体的酶,红色线为DM突变带有小二元体的酶。

創制多個新型的PET降解酶

根據這些結果可以推論,爲了快速適應生存環境中堆積的大量PET廢棄物,細菌在古老的角質酶中導入突變將之轉變成了一個有效的PET降解酶,用以分解PET作爲能量的來源。微生物在短時間內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。這些結果爲大自然應對並分解塑料的演化過程提出理論根據,也揭示了自然界在短時間演化出更多塑料降解酶機制的可能性。

此外,導入小二元體是創制更多性質優良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,而這一系列的新酶將對發展生物降解塑料技術創造重要價值。

這些結果于5月20日在Nature Catalysis上发表。湖北大學生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室郭瑞庭教授、戴隆海副教授、黄建文副教授为本文共同通讯作者,陈纯琪教授、中科院天津工业生物技术研究所韩旭高级工程师、湖北大学博士生李鲜为本文共同第一作者。

《中國科學報》報道鏈接:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/5/362764.shtm

論文原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41929-021-00616-y

(審稿:謝玉平)




湖大微博

湖大微信

湖大官網

    版权所有?湖北大学 2016 湖北大学党委宣传部 地址:湖北省武汉市武昌区友谊大道368号 邮政编码:430062  鄂ICP備05003305    圖标鄂公网安备 42010602000204号