这种细菌为啥能“吃”塑料？科学家有了新发现
◎ 科技日报记者 陈曦
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。聚对苯二甲酸乙二酯 (polyethylene terephthalate，PET)，是生产与消耗量最多的塑料之一，大多数矿泉水瓶原料就是PET。
大部分PET废弃物以土地掩埋或焚烧法来处理，但掩埋法无法彻底消除PET，焚烧则会产生温室气体排放造成二次污染。
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的郭瑞庭教授与陈纯琪教授团队，经过研究推论出，细菌为快速适应堆积的PET废弃物，在古老的角质酶中导入突变，使之转变成高效的PET降解酶。
这个发现为创制更多性质优良PET降解酶提供有效策略，目前团队已利用这个方法获得多个新型的PET降解酶，为发展生物降解塑料技术创造重要价值。
相关研究成果5月20日发表在权威期刊《自然·催化》（Nature Catalysis）上。
这种细菌为啥能“吃”塑料
PET的塑料分类代号为1号，目前全球年产量已近七千万吨。PET防水、耐热、抗酸碱腐蚀，所以大量的运用在食品饮料包装和人造纤维制作。目前，PET的回收率仅有10%左右，而目前较常使用的物理或化学回收法都有其限制。因此，发展温和绿色的生物降解法来处理PET废弃物，是人类社会寻求可持续发展的重要方向。
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。
塑料的性质稳定，一般认为需要数百年的时间才可能被自然分解。2016年，Yoshida等人在日本大阪近郊的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”。分解后的小分子就可以被细菌吸收利用。
“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的。”郭瑞庭介绍，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。
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年首度在国际上公布了首个IsPETase的晶体结构与酶和底物类似物的复合体结构。郭瑞庭介绍：“透过比对IsPETase与角质酶的蛋白质结构，我们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。”
“制造”高效降解PET塑料酶
为寻找更多具有降解PET活性的酶，团队发现，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被固定住的。
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？
图片说明：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)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)，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降解酶最关键的条件。
“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。”郭瑞庭说，而累积三个突变位点是有可能在短时间之内发生的，那就是只需透过利用导入小二元体的策略。这种快速的转变，就像川剧里的“变脸”一样。
根据这些结果可以推论，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。
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。
来源：科技日报 文中图片均由受访者提供