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PET（聚对苯二甲酸乙二酯，（polyethylene terephthalate）因制作成本低、防水、耐热、抗酸碱腐蚀等优势，在生活中被广泛地应用在饮食、药品包装、人造纤维及工程机械制造等领域。
然而，PET 因“降解难”成为白色污染的主要来源，即使环境湿度达到 100%，降解 PET 仍需要数百年。
因此，加速发展绿色、可持续的生物降解法回收 PET，让 PET 的原料实现循环再利用是应对该挑战的重点发展策略。
图丨ACS Catalysis 当期封面（来源：ACS Catalysis）
近期，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教授团队通过对一种目前已知最有效的 PET 水解酶改造，进而获得了新型 PET 水解酶，并且其活力更强、热稳定性更好。
并且，该团队还揭示了迄今活力最强的 PET 水解酶的分子机制，首次“看见”PET 水解酶结合 PET 的过程。“该工作从源头揭示了 PET 水解酶的作用机制，为 PET 水解酶的后续研究与改造提供重要的指导方向。”该论文共同通讯作者、湖北大学陈纯琪教授说。
相关论文以《最有效的 PET 水解酶结构机制解析及性能提升改造》（）为题，以封面论文的形式发表在 ACS Catalysis 上[1]。
图丨相关论文（来源：ACS Catalysis）
揭示活力最强的 PET 水解酶与底物的复合体结构，为发展 PET 塑料的生物降解提供了重要的指导方向
该论文共同通讯作者、湖北大学郭瑞庭教授表示：“利用微生物或者酶介导平台进行生物降解，是安全、环保、低能耗、对人类永续发展最理想的策略。”因此，科学家一直聚焦于发展 PET 塑料酶降解方法，并回收水解产物用于 PET 再生。
那么，为何要利用 PET 水解酶降解PET呢？通过 PET 水解酶降解 PET 优势在于，其特异性高，不需要使用对环境有害的催化剂，而且降解的最终产物对苯二甲酸（terephthalic acid，TPA）作为 PET 原料，可用于重制符合商用标准的 PET，而非降级使用。
图丨ICCG 理性设计和改造（来源：ACS Catalysis）
该团队为找到性质更优良的酶，决定对 PET 水解酶进行机理研究与改造，并通过结构生物学的手段展开解析 ICCG 突变体与底物 MHET 的复合物晶体结构、探索其背后的机制。
若想让酶发挥作用，第一步就是结合底物。因此，探索酶与底物结合的复合体结构，是酶学研究最为重要的工作之一。而获得酶与底物的复合体结构信息，不仅能为酶的作用机理提出解释，还可以为改造酶提供重要基础。
研究人员在实验中发现，在 ICCG 的 4 个氨基酸突变中有 2 个（G127 和 I243）位于 MHET 结合位点附近。G127 位于蛋白质表面，靠近 MHET 结合裂隙。并且，I243 的取代扩大了底物结合隧道，可能增加 PET 与酶的结合能力。
图丨陈纯琪教授（来源：陈纯琪）
据悉，研究过程中最大的挑战在于大量筛选突变体，逐一地表达纯化蛋白质以及分析每个酶的耐热与活性。“绝大部分的改造都是没有效果的，但经过学生耐心、严谨地进行测试，最后找到了真正有效果的酶。”陈纯琪说。
此外，提升 PET 降解酶的耐热性策略是发展生物降解 PET 塑料的重要方向，陈纯琪团队通过这种策略解决 PET 塑料降解酶的问题。陈纯琪表示，酶的耐热性和稳定性有一定的关联， 一般而言，耐热的酶具有更佳的稳定性、不易损坏，可以长时间保持活力。因此， 提高酶的稳定性有利于应用。
另外， PET 塑料本身不透水、结构致密，在常温下是稳定的固体， 这时酶很难渗透到 PET 内部。降解作用可能仅限于 PET 表面，反应速率相对较低。当温度升高时，PET 的致密结构会舒展开， 此时有利于酶的作用。
陈纯琪指出，“目前报道较为有效的 PET 水解酶，大都需要在 50℃ 以上的条件下工作，这说明提升 PET 水解酶在高温环境下作用的必要性。此外，许多 PET 塑料产品添加了增强剂或者复合塑料进行强化。”
而在该工作中陈纯琪与团队发现，添加玻璃纤维后的 PET 比单一的 PET 材料更难降解，需要使用更高的反应温度。
总的来说，该团队报道了当前最耐热、活力最高的 PET 水解酶与底物的复合体结构，明确指出这个酶与底物的结合方式，并证明了在 PET 生物降解过程中提高酶的热稳定性的好处。
从发现能“吃”塑料的细菌，到探索酶演化成降解 PET 的可能
陈纯琪团队长期从事蛋白质结构解析的工作，以 X 光衍射技术以及冷冻电子显微镜的手段来解析蛋白质结构，其研究对象包括塑料降解酶、萜类合成酶、毒素分解酶、P450 酶等。
除了针对酶的机理与应用研究，他们也致力于开发新型药物，为医药生物科技产业的发展提供思路与突破。本次科研进展离不开该团队长期在领域内的长期探索，并为新成果奠定良好的基石。
图丨陈纯琪、郭瑞庭研究团队（来源：该团队）
自从发现 PET 塑料可能被酶水解以来，科学界对于哪一种酶能更好地水解 PET 有共识。但是，这些酶天然的作用对象并非 PET，而是角质或者脂肪酸，水解 PET 只是其副反应，始终没有酶与 PET 底物的复合体结构的相关报道。
由于天然底物与 PET 的组成不尽相同，所以这些酶的活力并不高，反应速率也非常缓慢。因此，科学家对于该方向一直用模拟底物结合模式的方法进行研究。
（来源：该团队）
2016 年，日本的研究团队在大阪附近的 PET 塑料回收场分离了一株可以靠“吃” PET 生长的细菌 Ideonella sakaiensis，这株细菌分泌了一种被称为“IsPETase”的酶，它在常温下水解 PET 的活力高于之前报道所有的酶。
陈纯琪团队意识到，这是第一个在自然界中演化而来的PET水解酶。因此，他们开始研究 IsPETase，并首次解析了 PET 水解酶与底物类似物的复合体结构，并成功推导出自然界如何快速演化出 PET 水解酶的机理[2] ，为后续的相关研究奠定了重要的基础。
实际上，PET 塑料问世仅 70 多年, 自然界还来不及演化出真正的 PET 水解酶, 那么，IsPETase又是怎么来的呢?有意思的是，IsPETase 与一种古老的酶（角质酶）有近 50% 的序列相似性。基于此，陈纯琪团队推测细菌可能透过改变角质酶而产生了 IsPETase。
图丨IsPETase 与其他经典角质酶活性区关键差异（来源：该团队）
通过摸索，他们 2021 年发表在 Nature Catalysis 的研究证明，最少只需要三个突变位点就可能把一个角质酶转变成 PET 水解酶[3]。事实上，PET 的成分来自于石油，本质上是碳氢化合物，与植物的生物质有类似的组成成分。于是，该团队进一步推测，除了 PET，自然界也可能透过改变其他古老的生物质降解酶，来降解各种不同塑料。
2020 年在 Nature Reviews Chemistry 发表的综述中，该团队汇整了所有生物质组成以及能够降解生物质的酶，并且探讨这些酶演化成为降解 PET 甚至于是其他种塑料的可能性[4]，为发展 PET 以及其他塑料的生物降解法提供了新思路。
未来将继续对 PET 水解酶升级改造
当前通过酶降解 PET 的难题是其制作成本低于回收成本，因此，如何把回收的成本降低到能商业应用的范围，是该领域最大的挑战之一。所以，找到更优良的酶，同时进一步地提高酶的产量，是解决该领域困境的核心要素。
陈纯琪表示，“我们发现单一的 PET 塑料能被酶有效水解，但面对更复杂的复合型材料，还是需要使用性能更强的 PET 水解酶。因此，未来将继续对 PET 水解酶进行升级改造。”
图丨ICCG 突变体结构分析（来源：ACS Catalysis）
优良的酶需要具备高效的水解能力与稳定性，同时也需要能够大量生产的平台，进而降低酶的成本。接下来，该团队将聚焦于提高酶的稳定性与产量。
“有些酶虽然活力好，但真正大量制造时产量却提不上去。所以，需要尽快对后续生产工艺进行摸索。”陈纯琪说。据悉，针对改造后的酶该团队已申请相关专利，同时也在和一些企业接洽后续的产业化合作。
当前，过多的塑料废弃物对地球生态环境已经造成严重影响，各国政府与科学界也在积极推动 PET 生物降解的发展。陈纯琪认为，该技术会很快地在生产线上进行试验。她指出，酶的生产需要发酵工厂的技术支持，国内的发酵工艺处于世界领先地位，只要找到优势的酶，现有的设备与技术应该足以对生产进行测试。
除了优化酶与生产酶，还需要塑料回收厂的支持。对此，陈纯琪解释道：“回收的 PET 塑料可能需要筛选和再打粒等前处理以增进酶降解的效能，并且，需要建立回收降解产物的平台，这些都需要产业界与其他领域专家的共同努力。”
陈纯琪认为，挖掘与改造酶的相关工作或许会较早地被应用，因为科学界已经为之奋斗了多年，也已找到许多优秀的水解酶。她指出，当前应该推动建立适用于生物降解法的 PET 塑料前处理，以及水解后 TPA 的回收方法，尽快在实际的应用层面上进行测试。
“尽管基础较好，但现在完全不是停下脚步的时候，我们必须不停提升酶的性质与产量，即便是建立生产线后，酶的改造仍然应该继续以持续优化工艺。”她说。
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参考：
1.Zeng, W.,et al. ACS Catalysis 12, 3033-3040 (2022). https://doi.org/10.1021/acscatal.1c05800
2.Han, X., Liu, W., Huang, JW. et al. Structural insight into catalytic mechanism of PET hydrolase. Nature Communications8,2106 (2017). https://doi.org/10.1038/s41467-017-02255-z
3. Chen, CC., Han, X., Li, X. et al. General features to enhance enzymatic activity of poly(ethyleneterephthalate) hydrolysis. Nature Catalysis4,425–430 (2021). https://doi.org/10.1038/s41929-021-00616-y
4. Chen, CC., Dai, L., Ma, L. et al. Enzymatic degradation of plant biomass and synthetic polymers. Nature Reviews Chemistry4,114–126 (2020). https://doi.org/10.1038/s41570-020-0163-6
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