升级PET水解酶 郭瑞庭教授团队再造超级塑料“食客”

在众多塑料制品中，生产和使用最多的是聚对苯二甲酸乙二酯（PET）塑料，然而对于PET的降解和循环利用却是一个国际难题。近日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郭瑞庭教授和陈纯琪教授团队在前期工作基础之上，对PET水解酶机制进行了解析及性能提升改造，使之具有高效水解功能。该研究成果2月15日以封面文章发表于国际学术期刊《美国化学学会-催化》（ACS Catalysis）上（图1），并受到科技日报等媒体关注报道。

图1. ACS Catalysis封面

解析结构，助力PET水解酶改造

塑料制品的出现给人类的生活带来了很大的便利，人们在享受这一便利的同时，也承受着塑料污染对自然环境和人类健康的巨大负面影响，全世界都在想尽办法解决塑料污染问题。

在所有塑料制品中，PET塑料使用量巨大，当前最常用来进行PET的降解与循环再利用的方法需要加入有毒试剂，这不仅会造成二次污染，而且降解产物很难循环再利用。

发展绿色温和的PET水解酶，并回收水解产物用于PET再生，一直是科研人员的目标之一。

“要使PET达到最好的降解效果，需要水解酶能够在PET玻璃态的温度范围内（65℃—70℃）或高于这个温度下进行反应。”陈纯琪表示，如果能提高PET水解酶的耐热性，一些PET塑料就能通过用酶清洗实现回收利用，就像含酶的洗涤剂可以分解脏衣服上的食物污渍一样。

陈纯琪注意到日本研究团队曾公布了一个耐热角质酶ICCG，它的最适反应温度达到了65 ℃，是已知PET水解酶中活力最高的。“ICCG为何不同于其他PET水解酶，水解活力和耐热性都异常突出呢？如果能了解ICCG独特的作用机制，我们也有可能从中得到启发，获得更具热稳定性的PET水解酶。”陈纯琪说。

郭瑞庭、陈纯琪一直深耕于PET水解酶领域，2017年团队在国际上首次解析了PET水解酶IsPETase的晶体结构，随后在2021年又首次发现了影响IsPETase水解PET的关键二元体。

图2. ICCG与底物结合凹槽。

“我们充分运用了团队在结构生物学和理性设计及改造方面的研究专长，使用结构生物学的手段解析了ICCG的失活突变体（S165A）与底物MHET的复合体结构（图2）。”郭瑞庭解释道，结构解析发现，MHET结合在酶表面的活性凹槽内，4个突变体中的2个位于MHET的结合位点附近，其中G127位于酶的表面，与MHET结合的活性凹槽邻近，I243的存在扩大了底物结合通道，这可能增加了PET的结合能力，这个特征也揭示了I234突变体可能具有更高的PET水解活性。”

内外兼顾，实现PET高效水解

“有了复合体结构作为基础，我们接下来的ICCG耐热性改造就可以做到有的放矢。”陈纯琪解释说，“为了增加耐热性，我们采取内外兼顾的策略改造ICCG，即增加蛋白质内部的疏水相互作用和增加蛋白质表面脯氨酸的亲水相互作用。我们共选择并构建了27个突变体，其中有7个突变体在90℃时比ICCG具有更高的活性。”

图3. ICCG理性设计和改造。

团队进一步将这7个突变体组合突变，筛选获得5个活性明显提升的三突变体（图3）。最后，优中选优，得到3种活性更高且变性温度比ICCG高出3℃的突变体（RIP、KIP和KRP）（图4）。

图4. ICCG突变体结构分析。(A) KIP，(B) RIP，(C) KRP。

为了进一步探索突变体热稳定性增加的分子机制，结构生物学的手段被再次运用。结果显示，突变分别在酶的外壳、中层、核心产生了稳定结构的效果，“我们猜测是这些个别效应叠加起来增进了蛋白质整体的耐热性。”陈纯琪说。

郭瑞庭说，这项成果更加清晰地阐述了PET水解酶的分子机制，同时也证明了增加耐热性对PET生物降解的重要性。不过，郭瑞庭也坦言，目前PET塑料的处理主要依靠掩埋和焚烧，化学降解方法因为产生二次污染，目前尚未采用，而生物降解方法则受到成本限制等原因尚未投诸使用。未来如果能降低酶的生产成本、提高反应温度所需的电费、回收分离的成本等，并配套上完善的降解工艺，才能真正实现应用。

据悉，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曾伟博士、栗秀琴博士、杨云云副教授、闵鉴副教授为本文的共同第一作者，郭瑞庭教授和陈纯琪教授为本文共同通讯作者。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c05800