研究人员创造了消化塑料的突变酶
一个包括两名巴西人在内的国际科学家小组的发现可能有助于最大程度地减少这种材料造成的污染
来自坎皮纳斯大学 (Unicamp) 的两名巴西人参与的一个国际科学家小组设法提高了 PETase 的性能，PETase 是一种能够以聚对苯二甲酸乙二醇酯、PET 塑料为原料的酶。 2016 年，在一种新的细菌物种中发现了 PETase 后，这组研究人员致力于获得该酶的结构并了解其工作原理。在这个过程中，他们偶然地产生了一种酶的突变，这种突变对 PET 具有更大的亲和力——也就是说，降解塑料的潜力更大。
这项工作具有巨大的实际应用潜力，因为据估计，每年有 48 至 1270 万吨塑料被释放到海洋中——这个数字只会增加。即使在地球上最偏远的海滩上也会堆积塑料，正是因为它们具有抗降解能力，而这对环境威胁最大。例如，当被丢弃时，一个 PET 瓶可以在环境中保留 800 年——此外还有微塑料这一日益严重且令人担忧的问题。
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综上所述，很容易理解发现能够消化聚对苯二甲酸乙二醇酯的酶引起的极大兴趣。这种称为 PETase 的酶现在已经提高了降解塑料的能力。发表在一篇文章中描述了这种新颖性 美国国家科学院院刊 (PNAS)。
坎皮纳斯州立大学化学研究所（IQ-Unicamp）的两名研究人员与来自英国（朴茨茅斯大学）和美国（国家可再生能源实验室）的研究人员合作参与了这项研究。他们是博士后学生 Rodrigo Leandro Silveira 和他的导师，Unicamp Munir Salomão Skaf 的首席教授和研究主任。
“聚对苯二甲酸乙二醇酯主要用于制造饮料瓶，也广泛用于制造衣服、地毯等物品。在我们的研究中，我们表征了能够消化这种塑料的酶的三维结构，我们对其进行了改造，提高了其降解能力，并且我们证明了它在聚 2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯 (PEF) 中也具有活性，这是一种替代由可再生原材料制造的 PET，” Silveira 告诉 Agência FAPESP。
对 PETase 的兴趣出现在 2016 年，当时由 Shosuke Yoshida 领导的一组日本研究人员发现了一种新的细菌，即 酒井爱德兰，能够使用聚对苯二甲酸乙二醇酯作为碳和能源的来源——换句话说，能够以 PET 为食。迄今为止，它是唯一已知的具有这种能力的生物。它实际上是在 PET 上生长的。
“除了确定 酒井爱德兰，日本人发现它产生了两种分泌到环境中的酶。其中一种分泌酶正是PETase。由于具有一定的结晶度，PET 是一种很难降解的聚合物。我们在技术上使用术语“顽固性”来命名某些紧密堆积的聚合物必须抵抗降解的特性。 PET就是其中之一。但是 PETase 会攻击它并将其分解成小单位——单（2-羟乙基）对苯二甲酸（MHET）。然后，MHET 单元[通过第二种酶] 转化为对苯二甲酸，并被细菌吸收和代谢，”Silveira 说。
所有已知的生物都使用生物分子来生存。除了 Ideonella sakaiensis，它设法使用人工制造的合成分子。这意味着这种细菌是过去几十年发生的最近进化过程的结果。它成功地适应了 1940 年代初开发的聚合物，直到 1970 年代才开始在工业规模上使用。为此，PETase 是关键部分。
“PETase 完成了最难的部分，即打破晶体结构并将 PET 解聚成 MHET。第二种酶的工作，即将 MHET 转化为对苯二甲酸的酶，已经简单得多，因为它的底物是由单体形成的，酶很容易接近，因为它们分散在反应介质中。因此，研究的重点是 PETase”，Silveira 解释说。
下一步是详细研究 PETase，这是新研究的贡献。 “我们的重点是找出是什么让 PETase 能够做一些其他酶无法非常有效地做的事情。为此，第一步是获得这种蛋白质的三维结构”，他说。
“获得三维结构意味着找到构成大分子的数千个原子中每一个的 x、y 和 z 坐标。我们的英国同事使用一种众所周知且广泛使用的称为 X 射线衍射的技术完成了这项工作，”他解释说。
修饰酶与聚合物结合更好
一旦获得了三维结构，研究人员就开始将 PETase 与相关蛋白质进行比较。最接近的是来自 Thermobifida fusca 细菌的角质酶，它可以降解角质，这是一种覆盖植物叶子的天然清漆。某些病原微生物使用角质酶来打破角质屏障并吸收叶子中存在的营养物质。
图像：蓝色的 PETase 结构，PET 链（黄色）连接到其活性位点，在那里它将被降解。新闻稿/罗德里戈·莱安德罗·西尔维拉。
“我们发现，在发生化学反应的酶区域，即所谓的‘活性位点’，PETase 与角质酶存在一些差异。它有一个更开放的活跃站点。通过计算机模拟——这是我贡献最大的部分——我们能够研究酶的分子运动。 IQ-Unicamp 的研究人员解释说，虽然通过 X 射线衍射获得的晶体结构提供了静态信息，但模拟可以提供动态信息并发现每种氨基酸在 PET 降解过程中的具体作用。
分子运动的物理学源于巨大的原子阵列和温度的静电吸引力和排斥力。计算机模拟使我们能够更好地了解 PETase 如何与 PET 结合和相互作用。
“我们发现 PETase 和角质酶在活性位点有两种不同的氨基酸。然后，我们使用分子生物学程序在 PETase 中产生突变，目的是将其转化为角质酶，”Silveira 说。
“如果我们能够做到这一点，我们将展示为什么 PETase 是 PETase，也就是说，我们将知道哪些成分赋予了它降解 PET 的这种特殊特性。但令我们惊讶的是，通过试图抑制 PETase 的特殊活性，即将 PETase 转化为角质酶，我们产生了一种更加活跃的 PETase。我们希望减少活动，相反，我们增加了活动”，他说。
这需要进一步的计算研究来理解为什么突变 PETase 比原始 PETase 更好。通过建模和模拟，可以看到 PETase 产生的变化有利于酶与底物的偶联。
修饰的酶与聚合物更好地结合。这种耦合取决于几何因素，即两个分子之间的“钥匙和锁”类型的配合。还有热力学因素，即酶的各种成分与聚合物之间的相互作用。描述这一点的优雅方式是说修饰的 PETase 对底物具有“更大的亲和力”。
就未来的实际应用而言，获得一种能够降解成吨塑料垃圾的成分，这项研究取得了巨大的成功。但什么使 PETase 成为 PETase 的问题仍未得到解答。
“角质酶具有氨基酸 a 和 b。 PETase 具有氨基酸 x 和 y。我们想象，通过将 x 和 y 交换为 a 和 b，我们将能够将 PETase 转化为角质酶。相反，我们生产改进的 PETase。换句话说，这两种氨基酸不能解释两种酶的不同行为。这是另一回事，”西尔维拉说。
持续进化
角质酶是一种古老的酶，而 PETase 是一种现代酶，是由于进化压力而产生的，这使得它成为可能 酒井爱德兰 适应仅包含或主要包含聚对苯二甲酸乙二醇酯作为碳源和能源的环境。
在许多无法使用这种聚合物的细菌中，一些突变产生了一种能够使用这种聚合物的物种。这种细菌开始繁殖并比其他细菌生长得更多，因为它有足够的食物。就这样，她发展了。至少这是标准进化论提供的解释。
“我们通过微小的改变获得了更好的酶这一事实强烈表明这种进化尚未完成。为了获得更有效的酶，仍有待理解和探索新的进化可能性。改进的 PETase 并不是道路的尽头。这只是开始，”西尔维拉说。
从应用来看，下一步是从实验室规模转向工业规模。为此，需要进行与反应器工程、工艺优化和成本降低相关的其他研究。
