? 科学家经过研究推断，细菌是PET废物，能快速适应积累。将突变引入古老的角质酶，将其转化为有效的 PET 降解酶。这一发现为创造更多高质量的 PET 降解酶提供了一种有效的策略。

塑料垃圾对环境和生态系统的污染已成为不容忽视的严重问题。聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 是生产和消费最多的塑料之一，大多数矿泉水瓶都使用 PET 作为原材料。 PET废弃物主要通过填埋或焚烧处理，但填埋法不能完全消除PET，焚烧会产生温室气体，造成二次污染。

记者7月10日从湖北大学生命科学学院与省部级部门联合成立的生物催化与酶工程国家重点实验室获悉，郭瑞亭教授和陈教授团队实验室的春琪得出结论，细菌为了快速适应PET废物的积累，在古老的角质酶中引入了突变，将其转化为一种高效的PET降解酶。这一发现为创造更多高质量的 PET 降解酶提供了一种有效的策略。目前，该团队已生产出多款新型PET降解酶，为生物降解塑料的发展开辟了新途径。相关研究成果已发表在权威期刊《Nature·Catalysis》上。

有一种细菌可以“吃”塑料

PET的塑料分类代码为第一，全球年产量近7000万吨。 PET防水、耐热、耐酸碱腐蚀，因此大量用于制造食品饮料包装瓶/盒和人造纤维。目前PET的回收率只有10%左右，比较常用的物理或化学回收方法都有局限性。因此，发展温和、绿色的生物降解方法处理PET废弃物，是人类社会谋求可持续发展的重要方向。

PET是聚酯大分子，理论上可以被降解酯键的酶水解。然而，大量的芳环和致密的结晶区域使 PET 对酶促降解具有很强的抵抗力。因此，寻找更有效的PET降解酶是PET生物降解技术发展的核心。

塑料的性质稳定，一般认为需要数百年才能自然分解。 2016 年，日本科学家在 PET 回收设施中分离出了一种可以“吃掉”PET 的细菌——“Ideonella?sakaiensis”。这种细菌会分泌一种酶，将 PET 水解成小分子——IsPETase，它是分解后的小分子。它也可以被细菌吸收和利用。

" IsPETase是唯一一种真正的PET降解酶，通过自然进化产生。然而IsPETase并不是一种全新的酶种，而是一种古老的角质酶。微生物利用微生物的作用分解植物角质。”郭瑞亭说，古代角质酶分解PET的活性很低，但IsPETase能很好地分解PET，细菌如何将角质酶转化为PET降解酶的奥秘一直没有揭开。

长期从事蛋白质结构和功能分析，2017年公布了世界上第一个IsPETase晶体结构和酶与底物类似物的复杂结构。郭瑞亭说：“通过比较IsPETase和角质酶的蛋白质结构，我们发现角质酶的底物结合区比较窄，更适合作用于细长的角质，但不利于作用于结构较大的PET。”

“制造”高高效塑料降解酶

为了寻找更多具有降解PET活性的酶，研究小组发现IsPETase的底物结合区组成与角质酶相同，但W185（色氨酸）一世n IsPETase的底物结合区可以自由摆动。当PET与IsPETase结合时，W185会被向下推一点，使底物结合区的空间变得更加开放，可以容纳PET。所有角质酶都有这种色氨酸在相反的位置，但色氨酸侧链的方向是固定的，不能自由摆动。

为什么同一种色氨酸在两种相似的酶中表现出不同的构象变化？如此细微的差异，真的是导致IsPETase和角质酶活性差异对PET降解的关键因素吗？

团队进一步分析了色氨酸附近的区域，发现在所有角质酶中，有两个氨基酸的侧链较大，组氨酸和苯丙氨酸（以下简称大二元体）支持它，并且它们像支架一样固定色氨酸，使其无法旋转。在IsPETase中，W185以下是丝氨酸和异亮氨酸（以下简称小二元）。它们的侧链基团很小，不能固定W185，所以W185可以自由摆动，IsPETase的底物结合区域就能“自由缩放”。

有趣的是，如果将IsPETase的小二元体换成大二元体，PET降解的活性会大大降低。相反，角质酶中的大二元体被小二元体取代。体，降解PET的活性会大大增加。可以看出，大小二元体的转化很可能是PET降解酶生产最关键的条件。 “检查密码子，我们可以发现只需要 3 个碱基就可以将一个大的二元体突变成一个小的二元体。”郭瑞亭说，3个突变位点的积累可能在短时间内发生————只要导入小二元体就行了。这种快速的转变，就像是川剧中的“变脸”。

这些研究结论表明，微生物选择突变角质酶在短时间内分解PET，可能是一种快速有效地产生PET降解酶的途径。此外，小二元体的引入可以创造出更多高质量的PET降解酶。该团队利用这种方法获得了多种新型PET降解酶。有了这些酶，科学家们将开发出更多可生物降解的塑料。