这种细菌分泌的酶真的不一样吗？练“吃”塑料的绝活？

自然界中有一种可以“吃”聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET塑料)的细菌，依靠一种特殊的酶将PET水解成可用的小分子。到目前为止，还没有第二种细菌可以“吃”PET。

这种细菌分泌的酶真的不一样吗？为什么能从其他酶中脱颖而出，练就“吃”塑料的绝活？

《自然—催化》年5月20日，湖北大学生命科学学院教授、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室郭瑞婷教授的最新成果在网上发布。他们发现这种特殊的酶是在不到100年的时间里从这种细菌中进化而来的，它具有独特的结构，使其能够降解大体积的聚酯分子。基于此，科学家可以开发出多种新型的PET降解酶。

自然界中一种独特的塑料降解酶

塑料废弃物对环境和生态系统造成污染，已经成为一个严重的问题。

聚酯是生产和消费最多的塑料之一，目前世界年产量近7000万吨。因其耐水、耐热、耐酸碱腐蚀，广泛用于食品饮料包装和人造纤维，大部分矿泉水瓶采用PET制成。大多数聚酯废料是通过土葬或焚烧处理的。

该论文的合著者郭瑞婷告诉《中国科学报》，聚酯的回收率只有10%左右，而目前常用的物理或化学回收方法都有其局限性。“因此，开发一种温和的绿色生物降解方法来处理聚酯废物是人类社会寻求可持续发展的重要课题。”

聚酯是一种聚酯大分子。“理论上，它可能被能降解酯键的酶水解。然而，由于大量的芳香环和致密的结晶区，聚酯对酶介导的作用具有很强的抗性。因此，寻找更有效的聚酯降解酶是发展可生物降解聚酯技术的核心。该论文的第一作者之一、湖北大学教授陈春启在《中国科学报》的一次采访中说。

塑料性质稳定，一般认为需要几百年才能自然分解。2016年，日本科学家分离出一株能“吃”PET的细菌Ideonella sakaiensis。

这种细菌分泌的能把PET水解成小分子的酶叫IsPETase，分解后的小分子MHET和TPA能被这种细菌吸收利用。

"酯酶是迄今为止唯一一种真正意义上的在自然界进化的聚酯降解酶."郭瑞婷说，不过，IsPETase并不是一种全新的酶，而是属于一种古老的酶——角质酶。

该论文的合著者、湖北大学副教授戴龙海介绍说，角质细胞酶原最初是被微生物用来分解植物角质层的。研究发现，旧角质酶分解聚酯的活性很低，但与角质酶结构非常相似的异构酶能很好地水解聚酯。

“PET问世不到70年。为什么细菌能在这么短的时间内将角质酶转化为PET降解酶？”郭瑞婷说，这个谜一直没有揭开。

解析大小二进制

郭瑞婷和陈春启长期从事蛋白质的结构和功能分析。此前，他们曾共同分析过IsPETase的晶体结构。

2017年，他们首次在国际上报道了IsPETase的晶体结构以及酶和底物类似物的复杂结构。

陈春启介绍说，他们发现，与经典角质酶相比，IsPETase具有三个主要结构特征：IsPETase的第二个底物结合结构域稍长，可能与PET的结合有关；IsPETase比经典角质酶多一对二硫键，用于稳定上述结构域的额外片段；IsPETase的第一个底物结合域比较宽，这是因为一个关键的底物结合氨基酸W185采用了多种构型，导致了底物结合口袋的构象比较宽。

2020年，他们比较了IsPETase和角质酶的蛋白质结构，发现角质酶的底物结合区较窄，更适合作用于细长角质，而不适合作用于结构较宽的PET。

该论文的合著者、湖北大学副教授黄建文介绍说，他们根据上述三个结构特征寻找更多具有降解聚酯活性的酶。

然而，由第一和第二特征发现的酶降解聚酯的活性仍然非常低。"所以我们转向关注第三个特点."黄建文说。

于是，他们有了新的发现。

该论文的合著者、中国科学院天津工业生物技术研究所助理研究员韩旭介绍说，酯酶的底物结合区的组成与角质酶相同，但酯酶的底物结合区的氨基酸W185可以自由摆动。

“当PET与IsPETase结合时，氨基酸W185会被压低。结果，底物结合区的空间变宽，可以容纳更大的PET分子。”安德森齐说道。

郭瑞婷告诉《中国科学报》，所有角质酶在相对位置上都有这个色氨酸，但在所有角质酶中，这个色氨酸侧链的方向是固定的。为什么相同的氨基酸在两种相似的酶中会表现出不同的构象变化？这种细微的差异真的是导致IsPETase和角质酶在降解PET时活性差异的关键因素吗？面对这两个问题，郭瑞婷的团队开始深入分析。

研究人员进一步分析了色氨酸的邻近区域，发现在所有角质酶中，色氨酸都是由组氨酸和苯丙氨酸这两种侧链较大的氨基酸(简称大二元)支撑的，它们像支架一样固定住色氨酸，使其无法旋转。

在《是》中，

PETase中，氨基酸W185下方则是丝氨酸和异亮氨酸(简称小二元体)，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。”陈纯琪说。

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。

寻找更多塑料降解酶

“由此可知，大小二元体的转换极有可能就是产生一个PET降解酶最关键的条件。”戴隆海说，考察密码子可以发现，只需要突变3个碱基就能够将大二元体变成小二元体，而累积3个突变位点是有可能在短时间之内发生的。

郭瑞庭认为，由此可以推论，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降解酶最快速有效的途径。”郭瑞庭说，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的PET降解酶的一个有效的策略。”陈纯琪说，他们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为发展生物降解塑料技术创造重要价值。(作者：李晨 )