@ 2018.04.27 , 15:00

意外找到了能更高效分解塑料的酶

他们在日本首次发现了这种微生物。研究人员在一家塑料回收工厂的土壤中找到了隐藏在那里的微生物,为了适应其栖息地的环境,它们已经逐渐进化出以丢弃的苏打饮料瓶为食的能力。

这一发现于2016年公布,现在科学家已经掌握了更多的细节。在研究日本小虫子如何消化塑料的时候,他们意外地创造出了一种超越天然细菌的变异酶,并且随着进一步的调整,它们或许将成为人类社会那数量恐怖的塑料垃圾品的终结者。

意外找到了能更高效分解塑料的酶
Credit:123RF

“偶然性在基础科学研究中经常发挥重要作用,我们在这里的发现也不例外。”英国朴茨茅斯大学的结构生物学家John McGeehan说。“这一意料之外的发现表明,还有进一步改进这些酶的空间,使我们的处理效率能跟上废弃塑料的高速增长。”

McGeehan的团队,包括美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员,在调查PETase的晶体结构时偶然发现了它们的突变体——正是这种酶使得微生物Ideonella sakaiensis能够分解PET塑料物质(又名聚乙烯对苯二甲酸酯)。

在20世纪40年代PET获得专利,虽然这听起来仿佛就是说恐龙时代的事情,但从进化的角度来看,这么短暂的时间里就出现能够分解PET的细菌,人类简直是中了头彩。唯一的问题,虽然I. sakaiensis确实可以能够吃塑料,但进化时间还是不足,吃得太慢太少。

考虑到地球上塑料污染规模惊人的巨大,数十亿吨废弃物堆放在垃圾填埋场并溢出到我们的海洋,甚至威胁到海洋的生态。

当然不能责怪PETase——PET需要几个世纪才能自然分解,而该酶能够使细菌几天内分解掉这种塑料。

“96小时后,您就可以通过电子显微镜清楚地看到PETase降解了PET,”NREL结构生物学家Bryon Donohoe说,“这个测试使用的是海洋和垃圾填埋场里取出垃圾样品。”

为了检验PETase在分子水平上的效率,该团队使用X射线生成了酶的超高分辨率3D模型,给PETase的活性位点留下前所未有的图像,这种东西是能够抓住并分解PET的靶标——然后,碰碰运气看看能否改进这个机制。

“看到这种生物催化剂的内部运作为我们提供了设计更快更高效的酶的蓝图。”McGeehan说。

假设PETase酶必须在PET环境中进化出降解塑料的能力,研究人员则使PETase的活性位点发生突变,以确定它们是否可以将它的结构变得与另一种被称为角质酶的酶相近。

虽然他们事先没有预料到,但这一调整最终显示出酶在分解塑料方面仍可以进一步优化。

“令人惊讶的是,我们发现PETase突变体在降解PET方面胜过野生型PETase,”NREL材料科学家Nic Rorrer说,“我们通过理论工具计算出,PET在PETase的催化部位如何发生结合,有助于阐释催化性能提高的原因。鉴于这些结果,显然还可以进一步挖掘出更高的催化潜力。”

尽管迄今为止,突变型PETase在分解塑料方面比自然产生的酶只高出约20%的效率,但该团队认为重要的是我们现在知道这些酶可以被优化和增强。

这意味着未来的工程设计版本应该能产生更好的催化剂,并且可能能够分解其他多种类型材质。

例如,经过改造的PETase也能够分解被称为PEF(聚呋喃二甲酸乙二醇酯)的PET替代品,而天然PETase无法做到这一点。

这些生物创新手段,可能需要经过漫长时间才能被用作处理我们已经累积了半个多世纪的数十亿吨塑料的工具,但现在我们已经找到了确切的方向,我们可以利用科学将大自然提供的线索转换成强有力的工具,毕竟,如果我们什么也不做,它们也不会自己消失。

NREL的生物技术专家Gregg Beckham解释说:“我们所了解的是,PETase尚未达到最优化的形态。”

“现在我们已经证明了这一点,之后就开始应用蛋白质工程和进化的工具来继续增强它的能力。”

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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