升级PET水解酶再造超级塑料“食客”

目前最常用的PET降解回收方法需要添加有毒试剂，不仅会造成二次污染，而且降解产物难以回收。因此，开发绿色、温和的PET水解酶并回收水解液用于PET再生一直是研究者的目标之一。

在许多塑料制品中，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是生产和使用最广泛的塑料。然而，PET的降解和回收是一个国际难题。近日，湖北大学生命科学学院与省厅共建的生物催化与酶工程国家重点实验室郭瑞庭教授和陈春启教授团队，在前期工作的基础上，对PET水解酶的作用机理进行了分析，并对其性能进行了改进，使其具有高效水解功能。该研究成果于2月15日作为封面文章发表在国际学术期刊《美国化学学会-催化》上。

分析结构，帮助改造PET水解酶

塑料制品的出现给人类生活带来了极大的便利。人们在享受这种便利的同时，也在承受塑料污染对自然环境和人类健康的巨大负面影响。全世界都在尽力解决塑料污染问题。

在所有塑料制品中，PET塑料的使用量是巨大的。目前最常用的PET降解回收方法需要添加有毒试剂，不仅会造成二次污染，而且降解产物难以回收。

开发绿色温和的PET水解酶并回收水解产物用于PET再生一直是研究者的目标之一。

“为了达到PET的最佳降解效果，水解酶应能在PET的玻璃化温度范围(65—70)或更高温度下反应。”陈春启说，如果可以提高PET水解酶的耐热性，一些PET塑料可以通过用酶洗涤来回收，就像含酶的洗涤剂可以分解脏衣服上的食物污渍一样。

陈春启注意到日本研究团队发表了一种耐热角质酶ICCG，其最适反应温度达到65，是已知PET水解酶中活性最高的。“为什么ICCG与其他PET水解酶不同，它具有出色的水解活性和耐热性？如果能了解ICCG独特的作用机制，我们也可能从中获得启发，获得更多耐热的PET水解酶。”陈春启说。

郭瑞亭和陈春启在PET水解酶领域有很深的造诣。2017年，团队在国际上首次分析了PET水解酶IsPETase的晶体结构。然后在2021年，首次发现了影响IsPETase水解PET的关键二元体。

“我们充分利用了团队在结构生物学和理性设计转化方面的研究专长，利用结构生物学分析了ICCG失活突变体(S165A)和底物MHET的复杂结构。”郭瑞庭解释说，结构分析显示MHET结合在酶表面的活性沟中，4个突变体中有2个位于MHET结合位点附近，其中G127位于酶表面，MHET结合活性沟附近。I243的存在扩大了底物结合通道，这可能增加了PET的结合能力。这一特征也揭示了I234突变体可能具有更高的PET水解活性。"

内外兼顾，实现聚酯高效水解

“有了复合结构作为基础，我们下一步的ICCG耐热改造就可以有的放矢了。”陈春启解释说，“为了增加耐热性，我们采用了内外兼顾的策略来改造ICCG，即增加蛋白质内部的疏水相互作用，增加蛋白质表面脯氨酸的亲水相互作用。共筛选构建了27个突变体，其中7个突变体的90活性高于ICCG

研究小组进一步将这7个突变体组合起来进行突变，筛选出了5个活性显著提高的3个突变体。通过优选，最终获得了三个活力较高、变性温度比ICCG高3的突变体(RIP、KIP和KRP)。

为了进一步探索突变体热稳定性增加的分子机制，再次使用了结构生物学的手段。结果表明，突变具有稳定外壳、中间层和核心结构的作用。

这项研究成果清楚地阐明了PET水解酶的分子机理，也证明了提高耐热性对PET生物降解的重要性。为闭环回收PET生物降解平台的开发提供了新的思路。