277: 吃塑料的酶(Plastic-eating Enzymes)

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

PET酶將聚酯塑料(PET)降解為對苯二甲酸單羥基乙酯(MHET)。而另一種酶,MHET酶,將MET降解為其組成成分的乙二醇(EG)和對苯二甲酸(TPA)。
PET酶將聚酯塑料(PET)降解為對苯二甲酸單羥基乙酯(MHET)。而另一種酶,MHET酶,將MET降解為其成分乙二醇(EG)和對苯二甲酸(TPA)。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

塑料(plastic)已經改變了我們生活的世界,成為製造消費產品的一種廉價和通用的材料。然而,使用塑料有著嚴重的弊端。大多數常用的塑料是高度穩定的化學聚合物,當被丟棄後,會在環境中保留幾十年甚至幾百年。塑料的廣泛使用對全球環境和人類健康構成了日益嚴重的威脅。研究人員現在正在尋找回收和分解塑料的自然方法來解決這個問題。令人驚訝的是,一些細菌比我們先一步,已經進化出可以攻擊某些種類塑料的酶。

吃塑料的酶

這裡顯示的兩種酶(PDB條目5xh36qga)是在回收設施的塑料瓶上生長的細菌中發現的。這兩種酶可以降解聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)。這種塑料由兩種成分組成,通過酯鍵(ester linkage)連接形成長聚合物鏈(polymer chain)。 PET酶將聚合物鏈裂成可處理的碎片,MHET酶(monohydroxyethyl terephthalate hydrolase,單羥乙基對苯二甲酸酯水解酶)通過從片段中分離單個成分來完成任務。細菌中的另一種酶將這些成分作為生長的營養物質。

回收塑料

在工業規模上回收塑料有幾個挑戰。將塑料聚合物中的成分-通常是酯和酰胺-結合在一起的鍵具有穩定的化學性質。幸運的是,許多酶都善於裂解這種類型的鍵。這是因為這種類型的鍵在生物聚合物中也很常見。然而,塑料中許多聚合物纖維的緻密結構使酶難以進入這些化學鍵。解決這個問題的一個辦法是加熱塑料以軟化其結構。 出於這個原因,人們正在研究對這種天然酶進行人工修飾,使其更加穩定並能在更高溫度下工作。

分解尼龍

兩種分解尼龍(一種塑料)的酶。綠色區域是經過人工修飾的氨基酸。
兩種分解尼龍(一種塑料)的酶。綠色區域是經過人工修飾的氨基酸。 高質量的TIFF圖片可以從這裡獲得。

吃塑料的酶的發現引發了對新的食塑料生物的尋找。例如,在篩選(檢查和選擇那些符合標準的)許多細菌後,發現了一種能降解塑料尼龍(nylon)的酶。該酶的結構如左圖所示。尼龍是由酰胺鍵(amide bond)組成的,與連接構成蛋白質的氨基酸的鍵相同。與PET酶一樣,尼龍的降解分兩步進行,NylC將尼龍聚合物分解成更小的碎片,NylB將碎片完全降解為其組成成分。 (注:這些酶可分解尼龍6製造過程中的副產品尼龍低聚物,並有助於減少對環境的影響,固化的尼龍樹脂很難被酶直接接觸和分解)。這裡顯示的酶來自PDB ID 5y0m2zm0,一些氨基酸被修改以增加活性和熱穩定性。

探索結構

人工改造的PET水解酶

顯示方式: 静止图像

要切換到有互動控制的頁面,請點擊圖表下方的按鈕。如果加載沒有開始,請嘗試點擊圖表。

PDB ID 7vve 包含一種PET降解酶,具有增強的塑料消化能力和更高的熱穩定性。該結構包括結合在活性位點的MHET,並揭示了幾種突變如何增強酶的活性。兩個相鄰的位點被改變為半胱氨酸,它們一起形成一個二硫鍵,增加了酶的熱穩定性。另外兩個變化減小了活性位點側翼氨基酸的大小,可能使其更容易被塑料聚合物鏈接近。該酶使用經典的絲氨酸-組氨酸-天冬氨酸催化三聯體,就像在絲氨酸蛋白酶中看到的那樣。請注意,在這個結構中,絲氨酸已被改為丙氨酸,以確定與活性部位結合的塑料片的結構。為了更詳細地探索這個結構,並與野生型角蛋白酶(cutinase,PDB ID 4eb0)進行比較,請點擊圖片下面的按鈕,請單擊圖像以獲取交互式JSmol。

進一步的討論議題

  1. 許多人造的塑料降解酶的結構可在PDB中找到。要找到它們,首先進入任何一種酶的結構頁面,在PDBj的"同源蛋白"標籤下,或者在RCSB PDB中使用“通過序列查找相似蛋白質”(在每個結構摘要頁面的“大分子”部分中)進行查找。請注意,這些酶之間的變異通常很小,所以提取那些有80%或90%序列匹配的結構,會得到一個有用的列表。
  2. PDBj的ASH或RCSB PDB的"成對結構排列"使得比較人工修飾的結構和野生型結構變得很容易。

參考文獻

  1. Chow, J., Perez-Garcia, P., Dierkes, R., Streit, W.R. 2022 Microbial enzymes will offer limited solutions to the global plastic pollution crisis. Microbial Biotechnology DOI:10.1111/1751-7915.14135
  2. 7vve Zeng, W., Li, X., Yang, Y., Min, J., Huang, J.-W., Liu, W., Niu, D., Yang, X., Han, X., Zhang, L., Dai, L., Chen, C.-C., Guo, R.-T. 2022 Substrate-Binding Mode of a Thermophilic PET Hydrolase and Engineering the Enzyme to Enhance the Hydrolytic Efficacy. ACS Catal 12 3033-3040
  3. 6qga Palm, G.J., Reisky, L., Bottcher, D., Muller, H., Michels, E.A.P., Walczak, M.C., Berndt, L., Weiss, M.S., Bornscheuer, U.T., Weber, G. 2019 Structure of the plastic-degrading Ideonella sakaiensis MHETase bound to a substrate. Nat Commun 10 1717
  4. 5y0m Negoro, S., Shibata, N., Lee, Y.H., Takehara, I., Kinugasa, R., Nagai, K., Tanaka, Y., Kato, D.I., Takeo, M., Goto, Y., Higuchi, Y. 2018 Structural basis of the correct subunit assembly, aggregation, and intracellular degradation of nylon hydrolase. Sci Rep 8 9725-9725
  5. 5xh3 Han, X., Liu, W., Huang, J.W., Ma, J., Zheng, Y., Ko, T.P., Xu, L., Cheng, Y.S., Chen, C.C., Guo, R.T. 2017 Structural insight into catalytic mechanism of PET hydrolase. Nat Commun 8 2106-2106
  6. 2zm0 Kawashima, Y., Ohki, T., Shibata, N., Higuchi, Y., Wakitani, Y., Matsuura, Y., Nakata, Y., Takeo, M., Kato, D., Negoro, S. 2009 Molecular design of a nylon-6 byproduct-degrading enzyme from a carboxylesterase with a beta-lactamase fold. FEBS J 276 2547-2556

本文是由RCSB PDBPDB-101提供的《當月的分子2023年1月的文章的中文翻譯。請參考我們的條款和條件頁面。

	{
    "header": {
        "minimamHeightScale": 1.0,
        "scalingAnimSec": 0.3
    },
    "src": {
        "spacer": "/share/im/ui_spacer.png",
        "dummy": "/share/im/ui_dummy.png"
    },
    "spacer": "/share/im/ui_spacer.png"
}