塑料廢棄物在環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)中造成的污染，已經(jīng)成為不可忽視的嚴(yán)重問題。聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)是生產(chǎn)與消耗量最多的塑料之一，大多數(shù)礦泉水瓶就是用PET作為原料。PET廢棄物主要以掩埋或焚燒法來(lái)處理，但掩埋法無(wú)法徹底消除PET，焚燒則會(huì)產(chǎn)生溫室氣體造成二次污染。

記者7月10日從湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、省部共建生物催化與酶工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲悉，該實(shí)驗(yàn)室郭瑞庭教授與陳純琪教授團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過研究推論出，細(xì)菌為快速適應(yīng)堆積的PET廢棄物，在古老的角質(zhì)酶中導(dǎo)入突變，使之轉(zhuǎn)變成高效的PET降解酶。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為創(chuàng)制更多優(yōu)質(zhì)PET降解酶提供了有效策略，目前團(tuán)隊(duì)已生產(chǎn)出多個(gè)新型PET降解酶，為發(fā)展生物降解塑料開辟了新途徑。相關(guān)研究成果已發(fā)表在權(quán)威期刊《自然·催化》上。

有種細(xì)菌能“吃”塑料

PET的塑料分類代號(hào)為1號(hào)，全球年產(chǎn)量已近7000萬(wàn)噸。PET防水、耐熱、抗酸堿腐蝕，所以大量被用來(lái)制作食品飲料的包裝瓶/盒和人造纖維。目前，PET的回收率僅有10%左右，且較常使用的物理或化學(xué)回收處理方法都具有局限性。因此，發(fā)展溫和綠色的生物降解法來(lái)處理PET廢棄物，是人類社會(huì)尋求可持續(xù)發(fā)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(huán)以及結(jié)構(gòu)致密的結(jié)晶區(qū)，使得PET對(duì)于酶降解作用具有非常強(qiáng)的抗性，因此尋找更為有效的PET降解酶是開發(fā)生物降解PET技術(shù)的核心。

塑料的性質(zhì)穩(wěn)定，一般認(rèn)為需要數(shù)百年的時(shí)間才可能被自然分解。2016年，日本科學(xué)家在PET回收處分離出了一株能“吃”PET的細(xì)菌— Ideonella sakaiensis，該細(xì)菌能分泌一種將PET水解成小分子的酶——IsPETase，分解后的小分子還可以被細(xì)菌吸收利用。

“IsPETase是目前為止唯一一個(gè)通過自然演化過程產(chǎn)生的真正意義上的PET降解酶。然而，IsPETase并不是一個(gè)全新的酶種，而是屬于一種古老的角質(zhì)酶，原本的作用是微生物用來(lái)分解植物角質(zhì)的。”郭瑞庭介紹，古老的角質(zhì)酶分解PET的活力非常低，但I(xiàn)sPETase卻能夠很好地分解PET。細(xì)菌如何把角質(zhì)酶轉(zhuǎn)變成PET降解酶，其中的奧秘始終沒有被揭露。

該團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析，于2017年在國(guó)際上公布了首個(gè)IsPETase的晶體結(jié)構(gòu)與酶和底物類似物的復(fù)合體結(jié)構(gòu)。郭瑞庭介紹：“通過比對(duì)IsPETase與角質(zhì)酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)角質(zhì)酶的底物結(jié)合區(qū)較為狹窄，比較適合作用于形狀細(xì)長(zhǎng)的角質(zhì)，而不利于作用在構(gòu)造較為寬大的PET上。”

“制造”高效降解塑料的酶

為尋找更多具有降解PET活性的酶，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，IsPETase底物結(jié)合區(qū)的組成與角質(zhì)酶是一樣的，但I(xiàn)sPETase底物結(jié)合區(qū)的W185(色氨酸)可以自由擺動(dòng)。當(dāng)PET結(jié)合到IsPETase上時(shí)，W185會(huì)被往下壓低一些，如此一來(lái)底物結(jié)合區(qū)的空間就變得較為開闊，也才能夠容納PET。所有的角質(zhì)酶在相對(duì)的位置都具有這個(gè)色氨酸，但這個(gè)色氨酸側(cè)鏈的方向都是被固定住的，不能自由擺動(dòng)。

為什么同樣的色氨酸，在兩種相似的酶里面會(huì)展現(xiàn)不同的構(gòu)象變化呢?這么細(xì)微的差異，真的是造成IsPETase與角質(zhì)酶降解PET活力高低不同的關(guān)鍵因素嗎?

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析色氨酸鄰近的區(qū)域發(fā)現(xiàn)，在所有角質(zhì)酶中，色氨酸下方有組氨酸與苯丙氨酸這2個(gè)側(cè)鏈較大的氨基酸(以下簡(jiǎn)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(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。而在IsPETase中W185下方則是絲氨酸和異亮氨酸(以下簡(jiǎn)稱小二元體)，它們的側(cè)鏈基團(tuán)較小，固定不住W185，因此W185就能自由擺動(dòng)，IsPETase的底物結(jié)合區(qū)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(huì)大幅下降，反之將角質(zhì)酶中的大二元體換成小二元體，降解PET的活性就會(huì)大幅提升。由此可知，大小二元體的轉(zhuǎn)換極有可能就是產(chǎn)生PET降解酶最關(guān)鍵的條件。“考查密碼子可以發(fā)現(xiàn)，只需要突變3個(gè)堿基就能夠?qū)⒋蠖w變成小二元體。”郭瑞庭說(shuō)，而累積3個(gè)突變位點(diǎn)是有可能在短時(shí)間之內(nèi)發(fā)生的——只需導(dǎo)入小二元體即可。這種快速的轉(zhuǎn)變，就像川劇里的“變臉”一樣。

這些研究結(jié)論表明，微生物在短時(shí)間內(nèi)選擇了突變角質(zhì)酶來(lái)分解PET，這可能是產(chǎn)生PET降解酶快速有效的途徑。此外，導(dǎo)入小二元體能創(chuàng)制更多優(yōu)質(zhì)PET降解酶，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用這個(gè)方法獲得了多個(gè)新型的PET降解酶，用這些酶，科學(xué)家將研發(fā)出更多生物可降解塑料。(記者 陳曦)