277: 吃塑料的酶（Plastic-eating Enzymes）

Author: David S. Goodsell Translator: 于 健（PDBj）

PET酶将聚酯塑料（PET）降解为对苯二甲酸单羟基乙酯（MHET）。而另一种酶，MHET酶，将MET降解为其组成成分的乙二醇（EG）和对苯二甲酸（TPA）。
PET酶将聚酯塑料（PET）降解为对苯二甲酸单羟基乙酯（MHET）。而另一种酶，MHET酶，将MET降解为其成分乙二醇（EG）和对苯二甲酸（TPA）。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

塑料（plastic）已经改变了我们生活的世界，成为制造消费产品的一种廉价和通用的材料。然而，使用塑料有着严重的弊端。大多数常用的塑料是高度稳定的化学聚合物，当被丢弃后，会在环境中保留几十年甚至几百年。塑料的广泛使用对全球环境和人类健康构成了日益严重的威胁。研究人员现在正在寻找回收和分解塑料的自然方法来解决这个问题。令人惊讶的是，一些细菌比我们先一步，已经进化出可以攻击某些种类塑料的酶。

吃塑料的酶

这里显示的两种酶（PDB条目5xh3和6qga）是在回收设施的塑料瓶上生长的细菌中发现的。这两种酶可以降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）。这种塑料由两种成分组成，通过酯键（ester linkage）连接形成长聚合物链（polymer chain）。PET酶将聚合物链裂成可处理的碎片，MHET酶（monohydroxyethyl terephthalate hydrolase，单羟乙基对苯二甲酸酯水解酶）通过从片段中分离单个成分来完成任务。细菌中的另一种酶将这些成分作为生长的营养物质。

回收塑料

在工业规模上回收塑料有几个挑战。将塑料聚合物中的成分-通常是酯和酰胺-结合在一起的键具有稳定的化学性质。幸运的是，许多酶都善于裂解这种类型的键。这是因为这种类型的键在生物聚合物中也很常见。然而，塑料中许多聚合物纤维的致密结构使酶难以进入这些化学键。解决这个问题的一个办法是加热塑料以软化其结构。 出于这个原因，人们正在研究对这种天然酶进行人工修饰，使其更加稳定并能在更高温度下工作。

分解尼龙

两种分解尼龙（一种塑料）的酶。绿色区域是经过人工修饰的氨基酸。
两种分解尼龙（一种塑料）的酶。绿色区域是经过人工修饰的氨基酸。 高质量的TIFF图片可以从这里获得。

吃塑料的酶的发现引发了对新的食塑料生物的寻找。例如，在筛选（检查和选择那些符合标准的）许多细菌后，发现了一种能降解塑料尼龙（nylon）的酶。该酶的结构如左图所示。尼龙是由酰胺键（amide bond）组成的，与连接构成蛋白质的氨基酸的键相同。与PET酶一样，尼龙的降解分两步进行，NylC将尼龙聚合物分解成更小的碎片，NylB将碎片完全降解为其组成成分。（注：这些酶可分解尼龙6制造过程中的副产品尼龙低聚物，并有助于减少对环境的影响，固化的尼龙树脂很难被酶直接接触和分解）。这里显示的酶来自PDB ID 5y0m 和 2zm0，一些氨基酸被修改以增加活性和热稳定性。

探索结构

人工改造的PET水解酶

显示方式： 静止图像

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PDB ID 7vve 包含一种PET降解酶，具有增强的塑料消化能力和更高的热稳定性。该结构包括结合在活性位点的MHET，并揭示了几种突变如何增强酶的活性。两个相邻的位点被改变为半胱氨酸，它们一起形成一个二硫键，增加了酶的热稳定性。另外两个变化减小了活性位点侧翼氨基酸的大小，可能使其更容易被塑料聚合物链接近。该酶使用经典的丝氨酸-组氨酸-天冬氨酸催化三联体，就像在丝氨酸蛋白酶中看到的那样。请注意，在这个结构中，丝氨酸已被改为丙氨酸，以确定与活性部位结合的塑料片的结构。为了更详细地探索这个结构，并与野生型角蛋白酶（cutinase，PDB ID 4eb0）进行比较，请点击图片下面的按钮，请单击图像以获取交互式JSmol。

进一步的讨论议题

  1. 许多人造的塑料降解酶的结构可在PDB中找到。要找到它们，首先进入任何一种酶的结构页面，在PDBj的"同源蛋白"标签下，或者在 RCSB PDB中使用“通过序列查找相似蛋白质”（在每个结构摘要页面的“大分子”部分中）进行查找。请注意，这些酶之间的变异通常很小，所以提取那些有80%或90%序列匹配的结构，会得到一个有用的列表。
  2. PDBj的ASH或RCSB PDB的"成对结构排列 "使得比较人工修饰的结构和野生型结构变得很容易。

参考文献

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本文是由RCSB PDB的PDB-101提供的《当月的分子》2023年1月的文章的中文翻译。请参考我们的条款和条件页面。

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