郭瑞庭教授团队实现对PBAT塑料和农用地膜的完全降解

        来到农田，你期待看到的是蓝天白云、瓜果飘香，然而现实可能是田边地头弃留农膜遍地。农田提供给我们丰富的农作物，然而农用地膜的大量使用给土地带来严重白色污染。由于地膜难以降解且对土地有毒害作用，必然会贻害子孙，带来不可估量的损失。近年来人们对PBAT塑料和农用地膜危害的关注度明显提高，科学家们也投入精力不断研发塑料降解技术。

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和湖北洪山实验室郭瑞庭教授团队在《Nature Communications》上发表题为 “Complete bio-degradation of poly(butylene adipate-co-terephthalate) via engineered cutinases” 的研究论文。该研究利用结构生物学和酶学等技术，发现角质酶可以实现高效降解多聚物PBAT，同时阐明了相关的催化机制。杨钰副教授、闵鉴副教授和硕士生薛婷为本文共同第一作者，湖北大学郭瑞庭教授、陈纯琪教授及武汉大学刘映乐教授为共同通讯作者。

PBAT是一种由己二酸、丁二醇和对苯二甲酸缩聚而成的新一代塑料。它有着和塑料PET类似的分子结构。因其具有优良的延展性、热稳定性和可塑性等特性，被广泛应用于农业（农用地膜）、纺织业以及食品包装等产业（图1）。然而随着PBAT的广泛应用，也造成了PBAT废塑料的大量积累，对环境造成了很大的压力。一直以来，生物酶法绿色降解塑料是解决塑料污染问题的最佳方案。然而，PBAT塑料具有规则的晶体状的分子结构，聚合物纤维排列得非常紧密，寻找能够“咀嚼”PBAT的降解酶非常困难。

图1. PBAT的广泛应用

为了解决上述难题，郭瑞庭团队通过大规模筛选、寻找合适的酶，终于发现一种用于降解PBAT地膜塑料的角质酶TfCu。这种酶可以在两天内快速的将PBAT地膜分解成大碎片、小颗粒直至完全消失（图2）。进一步对PBAT降解过程中间物的分离和鉴定，发现主要有三种中间产物，分别是BTa，ABTa和TaBTa（Ta=TPA），以及终产物TPA的产生（图2）。观察这四种中间产物的变化，发现ABTa和TaBTa会在8小时左右达到最高值后逐渐下降至消失。48小时后，反应产物主要是TPA和BTa。PBAT降解产物有许多种可能，但是角质酶TfCut降解PBAT过程中却只出现了这四种产物。值得注意的是，这四种产物都是以TPA为末端，因此推测TfCut角质酶降解PBAT可能存在一种独特的降解机制。 需要指出的是，PBAT的原料之一的TPA，来自于原油，受供需关系影响近年原油价格持续走高，PBAT生产成本大幅上涨，产业链条下游波动较大，造成不确定性增加。如果可以将PBAT降解产物归拢到TPA上，重新回收用于合成PBAT或者其他多聚物，就可以实现PBAT循环利用的目的并减少原油的消耗，这将具有良好的产业应用价值。

图2. 角质酶TfCut降解PBAT膜

郭瑞庭团队前期发现将TfCut的大二元体（H224-F228）改造成小二元体（S224-I228）后，降解PET塑料的活性明显升高（Chen et al., Nature Catalysis, 2021, 4, p. 425）。于是将该策略应用到PBAT的降解后发现，改造的TfCut小二元体突变 (简称 TfCut-DM) 降解反应48小时后只剩下TPA，该结果将有利于实现将来多聚物PBAT的降解后 TPA 的循环利用。此外，前面提到UV照射PBAT诱发交联反应。课题组经过测试发现，拥有小二元体的TfCut同样可以高效的降解已经发生交联反应的PBAT。这一发现对角质酶降解PBAT的应用研究方面打下坚实的基础。

图3. 角质酶TfCut和TfCut-DM复合体结构比较

郭瑞庭团队同时获得野生型TfCut和TfCut-DM与底物类似物MHET的复合体晶体结构（图3）。对比发现，野生型TfCut和之前已经报道的LCC-ICCG含有大二元体组分的结构相似，因此活性区入口处较为突出。而TfCut-DM和IsPETase含有小二元体，活性区入口处也较为平坦，更有利于PBAT长链的结合，因此从结构上根本解释了TfCut-DM降解活力提高的原因。

图4. 角质酶TfCut降解PBAT的机制示意图

综合上述结果，郭瑞庭团队绘制了角质酶TfCut降解PBAT的示意图（图4）。如图所示，角质酶TfCut首先由催化三联体行使内切水解酶功能，因而生成以TPA为末端的反应中间体，包括有BTa、ABTa和TaBTa。野生型的终产物为BTa和TPA，而改造后的TfCut-DM酶活更高，终产物为TPA，将更有利于实现PBAT的酶水解后产物的回收循环利用。该研究将为实现生物法降解多聚物PBAT并循环利用终产物TPA奠定基础。上述研究得到了科技部国家重点研发计划、湖北省洪山实验室、国家自然科学基金、湖北省创新群体和湖北省杰出青年基金等项目的资助。

据悉，郭瑞庭教授团队长期从事塑料降解酶、药物靶点蛋白、萜类合成酶、P450酶等的结构解析与机理探讨等研究，近3年在Nature Catalysis、Nature Reviews Chemistry、Immunity、Cell Discovery、Angewandte Chemie International Edition、Nature Communications、ACS Catalysis、Journal of Hazardous Materials等国际期刊上发表多篇高水平文章。