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5xh3和6qga）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 5y0m 和2zm0，一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

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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

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本文是由RCSB PDB的PDB-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。

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