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。

  自然界独一无二的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（图一）。

PET为聚酯大分子，理论上有可能被降解酯键的酶所水解，然而大量的芳香环以及结构致密的结晶区，使得PET对于酶介导的作用有非常强的抗性，因此，寻找更为有效的PET降解酶是开发生物降解PET技术的核心。

图一、PET塑料单体、聚合体、产品，以及废弃物处理的主要手段。

   2016年，日本科学家在大阪近郊的PET回收处分离了一株能“吃”PET的细菌—Ideonella sakaiensis。这株细菌分泌一个能够将PET水解成小分子的酶，称“IsPETase”，分解后的小分子MHET与TPA就可以被细菌吸收利用（图二）。

   IsPETase是目前为止唯一一个透过自然演化过程产生的真正意义上的PET降解酶。然而，IsPETase并不是一个全新的酶，而是属于一种古老的酶种——角质酶，原本的作用是微生物用来分解植物角质。古老的角质酶分解PET的活力非常低，但IsPETase却能够很好的水解PET。PET问世不到70年，细菌如何能够在短短的时间内把角质酶转变成PET降解酶，其中的奥秘始终没有被揭露。

图二、PET生物降解机制。I. sakaiensis降解代谢PET途径简图。I. sakaiensis表达IsPETase与MHETase将PET降解成TPA单体后，在胞内进行TPA代谢。

大小二元体的转换是产生PET降解酶的关键

   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的晶体结构与酶和底物类似物的复合体结构(Nature communications,2017,vol.8,p.2106)。

  与经典的角质酶比对，IsPETase有三个主要结构特征：(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（图三）。

   郭瑞庭教授团队多年来在这个领域持续进行深入研究，透过比对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（图四）。

图三、PET降解酶结构特征。(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特有之结构特征。

图四、2020年3月Nature Reviews Chemistry封面文章。郭瑞庭教授团队统整各种高分子生物降解机理，特别针对酶的结构特性与底物结合模式进行讨论，找寻其中的关联以及微生物因应人造物质出现的演化方向，为生物质资源的利用与塑料生物降解提供未来展望。

   团队曾经根据上述第一以及第二项特征来寻找更多具有降解PET活性的酶，但是这些酶降解PET的活力依然很低，于是团队转而专注于第三项特征。IsPETase底物结合区的组成与角质酶是一样的，但IsPETase底物结合区的W185可以自由摆动。当PET结合到IsPETase上时W185会被往下压低一些，如此一来底物结合区的空间就变得较为开阔，也才能够容纳PET。所有的角质酶在相对的位置都具有这个色氨酸，但是在所有角质酶里面，这个色氨酸侧链的方向都是固定的（图五）。为什么同样的氨基酸，在两种相似的酶里面会展现不同的构像变化呢?这么细微的差异，真的是造成IsPETase与角质酶降解PET活力高低不同的关键因素吗？

图五、IsPETase与其他经典角质酶活性区关键差异。IsPETase活性区当中负责结合底物的W185展现三种不同构像，结合了底物的是蓝色构像。在其他角质酶中W185相对应的色氨酸则是红色的构像，并不利于结合PET。

   进一步分析色氨酸邻近的区域发现，在所有角质酶中，色氨酸下方有组氨酸与苯丙氨酸这两个侧链较大的氨基酸（简称大二元体，图五）支撑着，它们就像支架一样固定住了色氨酸使其无法转动。而在IsPETase中W185下方则是丝氨酸和异亮氨酸（简称小二元体，图五），它们的侧链基团较小固定不住W185，因此W185就能自由摆动，IsPETase的底物结合区也就能够“伸缩自如”了。

   有趣的是，将IsPETase的小二元体换成大二元体，PET降解的活性就会大幅下降，反之将角质酶中的大二元体换成小二元体，降解PET的活性就会大幅提升。由此可知，大小二元体的转换极有可能就是产生一个PET降解酶最关键条件。考查密码子可以发现，只需要突变三个碱基就能够将大二元体变成小二元体，而累积三个突变位点是有可能在短时间之内发生的，只需要透过利用导入小二元体的策略（图六）。

图六、郭瑞庭团队测试了8个角质酶，发现其中6个角质酶导入Ser/Ile小二元突变可创制新型PET降解酶。图为六个有明显效果的酶降解PET所得产物的HPLC层析图谱，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。

创制多个新型的PET降解酶

   根据这些结果可以推论，为了快速适应生存环境中堆积的大量PET废弃物，细菌在古老的角质酶中导入突变将之转变成了一个有效的PET降解酶，用以分解PET作为能量的来源。微生物在短时间内选择了突变角质酶来分解PET，显示这可能是产生一个PET降解酶快速有效的途径。这些结果为大自然应对并分解塑料的演化过程提出理论根据，也揭示了自然界在短时间演化出更多塑料降解酶机制的可能性。

此外，导入小二元体是创制更多性质优良PET降解酶的一个有效策略，团队已经利用这个方法获得了多个新型的PET降解酶，而这一系列的新酶将对发展生物降解塑料技术创造重要价值。

   这些结果于5月20日在Nature Catalysis上发表。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、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。

《中国科学报》报道链接：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/5/362764.shtm

论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-021-00616-y