祝贺课题组在塑料降解酶研究中取得新突破并获《科技日报》报道

农田里栽种着丰富的农作物，为人们提供赖以生存的粮食。然而，农用地膜的大量使用也带来了严重的白色污染。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，湖北大学教授郭瑞庭团队和武汉大学教授刘映乐，利用结构生物学和酶学技术，发现角质酶可以高效降解多聚物PBAT，同时阐明了相关催化机制。该研究近日发表于《自然-通讯》。

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，因具有优良的延展性、热稳定性和可塑性，被广泛应用于农业（农用地膜）、纺织业以及食品包装等产业。然而随着PBAT的广泛应用，造成了PBAT废塑料的大量积累，给环境带来了很大压力。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。

为了解决上述难题，郭瑞庭团队通过大规模筛选，终于发现一种用于降解PBAT地膜塑料的角质酶TfCut。这种酶可以在两天内将PBAT地膜快速分解成大碎片、小颗粒，直至完全消失（图1）。

图1. 角质酶TfCut降解PBAT膜

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。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。而这四种产物都是以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。 

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2）。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2. 角质酶TfCut和TfCut-DM复合体结构比较

事实上，农用地膜在使用时都会受到太阳照射，因此团队用紫外线照射PBAT诱发交联反应后测试发现，野生型TfCut和TfCut-DM均可以高效地降解已经发生交联反应的PBAT。

图3. 角质酶TfCut降解PBAT的机制示意图

综上，郭瑞庭团队绘制了角质酶TfCut降解PBAT的示意图（图3）。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。

原文链接：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2023-04/25/content_552456.htm?div=-1