湖北大學團隊獲得解決白色污染的“獨家秘方”！可在短期內(nèi)制造大量、低價的高活性塑料降解酶丨專訪

白色污染是自然環(huán)境最令人頭疼的 “世紀難題” 之一，它的主要來源是聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate，PET），俗稱滌綸。

難在何處？因為 PET 即便在濕度達 100% 的情況下，降解 PET 也需要數(shù)百年，屬于 “頑固性” 難降解。

全球都在為減少塑膠垃圾做積極努力，目前已有 40 多個國家立法減塑或禁塑。但以生物法降解塑料相對昂貴許多，成本遠超過生產(chǎn)新的塑料的生產(chǎn)成本。

與 PET 生物降解有關的技術或要等到普遍地禁止新生產(chǎn)的 PET，才有較大的機會獲得產(chǎn)業(yè)化，到時世界各地將仍有大量殘留的 PET 塑料垃圾需要處理。

此外，PET 對生態(tài)環(huán)境及人類健康存在著威脅。常有眾多鳥類、海洋生物等因誤食被丟棄的塑料垃圾而死亡的報道。據(jù)報道，每年大約有 800 萬噸的塑料被扔進海里，如果再不改變現(xiàn)狀，到 2050 年，海洋中的塑料總重量將可能超過魚的總重量，成為 “海洋黑客”。

那么，各種塑料垃圾最終去向何方？

通常，塑料垃圾在日曬雨淋后，會被分解成塑料微粒。但這并不是真正的分解，很大程度上會被魚吃掉，人類再吃魚，最終部份塑料微粒留在人類體內(nèi)，成為 “惡性循環(huán)”。所以，如何徹底將 PET 安全、環(huán)保地降解成為該領域的熱門研究課題。

近日，湖北大學生命科學學院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室與中國科學院等團隊聯(lián)合研發(fā)了一種快速創(chuàng)制安全、環(huán)保、低能耗、可持續(xù)使用的 PET 塑料降解酶技術，未來有望應用于利用微生物或酶介導平臺進行生物降解，可將 PET 完全降解。

5 月 20 日，相關論文以《PET 塑料降解酶的酶活力關鍵開關》（General features to enhance enzymatic activity of polyethylene terephthalate hydrolysis）為題發(fā)表在Nature Catalysis 上。

湖北大學生命科學學院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室郭瑞庭教授、戴隆海副教授、黃建文副教授為論文共同通訊作者。湖北大學陳純琪教授、中科院天津工生所韓旭高級工程師、湖北大學博士生李鮮為論文共同第一作者。

發(fā)現(xiàn)快速創(chuàng)制 PET 塑料降解酶的 “關鍵秘密”

PET 因防水、耐熱、抗酸堿腐蝕的特點，被廣泛應用于飲食、****品包裝、人造纖維和工程機械制造等領域，每年全球產(chǎn)量約 7000 萬噸。日常處理 PET 廢棄物的方法 “各有千秋”，包括物理法、化學法、生物法等。

據(jù)了解，掩埋是最簡便的辦法，但因土地資源有限，不可能無止境地實施；焚燒產(chǎn)生的熱能可用于發(fā)電，但在焚燒過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)和溫室氣體會造成二次污染；回收法是將 PET 廢棄物分解獲得原料再重制，使整個產(chǎn)業(yè)鏈成為一個閉環(huán)，這也是最理想的處理方式。

郭瑞庭表示，目前常用的是物理和化學回收法，物理法將塑料制品粉碎再重新制造，但是回收材料性質(zhì)不穩(wěn)定，推廣有一定難度。而化學法使用強酸強堿或有機溶劑在高溫高壓下分解 PET，能耗高且副產(chǎn)物多，產(chǎn)生的廢水也對環(huán)境造成極大的負擔。
2016 年，日本大阪近郊的 PET 回收處分離了一株能 “吃” PET 的細菌 — Ideonella sakaiensis。這株細菌分泌一個能夠?qū)?PET 水解成小分子的酶，稱 “IsPETase”，分解后的小分子 MHET 與 TPA 就可以被細菌吸收利用。

IsPETase 是目前為止唯一透過自然演化過程產(chǎn)生的真正意義上的 PET 降解酶。然而，IsPETase 并不是一個全新的酶，其屬于一種古老的酶種 ——“角質(zhì)酶”（其原本的作用是微生物用來分解植物角質(zhì)）。
古老的角質(zhì)酶分解 PET 的活力非常低，但 IsPETase 卻能很好地水解 PET。而細菌如何能夠在短時間內(nèi)把角質(zhì)酶轉(zhuǎn)變成 PET 降解酶？在 PET 問世的近 70 年時間，其中的奧秘始終未被揭露。
郭瑞庭與陳純琪團隊長期從事蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析的研究。2017 年，他們首度在國際上報導了 IsPETase 的晶體結(jié)構(gòu)與酶和底物類似物的復合體結(jié)構(gòu)，這也是迄今為止唯一有 PET 底物的結(jié)構(gòu)，相關論文發(fā)布在 Nature communications。
該科研團隊多年來在這個領域持續(xù)深入研究，透過比對 IsPETase 與角質(zhì)酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)角質(zhì)酶的底物結(jié)合區(qū)較為狹窄，較適合作用在形狀細長的角質(zhì)，而不利于作用在構(gòu)造較為寬大的 PET。
據(jù)介紹，研究團隊統(tǒng)整各種高分子生物降解機理，特別是針對酶的結(jié)構(gòu)特性與底物結(jié)合模式進行討論，找尋其中的關聯(lián)以及微生物因應人造物質(zhì)出現(xiàn)的演化方向，為生物質(zhì)資源的利用與塑料生物降解提供未來展望，相關論文于 2020 年 3 月發(fā)表在 Nature Reviews Chemistry ，并成為當期封面文章。
郭瑞庭表示，IsPETase 底物結(jié)合區(qū)的組成與角質(zhì)酶相同，但 IsPETase 底物結(jié)合區(qū)的一個 185 號色氨酸（W185）可以自由擺動，而在所有的角質(zhì)酶中，色氨酸側(cè)鏈的方向是固定的。
研究人員進一步分析色氨酸鄰近的區(qū)域發(fā)現(xiàn)，在所有角質(zhì)酶中，色氨酸下方有組氨酸與苯丙氨酸這兩個側(cè)鏈較大的氨基酸（簡稱大二元體）支撐著，它們就像支架一樣，將色氨酸牢牢固定使其無法轉(zhuǎn)動。
而在 IsPETase 中 W185 下方則是絲氨酸和異亮氨酸（簡稱小二元體），它們的側(cè)鏈基團較小固定不住 W185，因此 W185 就能自由擺動，IsPETase 的底物結(jié)合區(qū)也就能 “伸縮自如” 了。
有趣的是，將 IsPETase 的小二元體換成大二元體，PET 降解的活性就會大幅下降，反之將角質(zhì)酶中的大二元體換成小二元體，降解 PET 的活性就會大幅提升。由此可知，大小二元體的轉(zhuǎn)換極有可能就是產(chǎn)生一個 PET 降解酶最關鍵的條件。
“考查密碼子可以發(fā)現(xiàn)，只需要突變?nèi)齻€堿基就能夠?qū)⒋蠖w變成小二元體，而累積三個突變位點是有可能在短時間之內(nèi)發(fā)生的，這只需要透過利用導入小二元體的策略?！?郭瑞庭說。
所以，研究人員根據(jù)這些結(jié)果推論，為了快速適應生存環(huán)境中堆積的大量 PET 廢棄物，細菌在古老的角質(zhì)酶中導入突變將之轉(zhuǎn)變成為有效的 PET 降解酶，以分解 PET 作為能量的來源。
微生物在短時間內(nèi)選擇了用突變角質(zhì)酶分解 PET，顯示這可能是產(chǎn)生一個 PET 降解酶快速有效的途徑。這些結(jié)果為大自然應對并分解塑料的演化過程提出理論根據(jù)，也揭示了自然界在短時間演化出更多塑料降解酶機制的可能性。
此外，導入小二元體是創(chuàng)制更多優(yōu)良性質(zhì) PET 降解酶的一個有效的策略，團隊已經(jīng)利用該方法獲得了多個高酶活的 PET 降解酶，而這一系列的新酶將對發(fā)展生物降解塑料技術創(chuàng)造出重要價值。
“利用微生物或者酶介導平臺來針對塑料進行生物降解，則是安全、環(huán)保、低能耗、對人類永續(xù)發(fā)展最理想的策略?！?郭瑞庭說。
總的來說，PET 生物降解是目前最有前景、亟待發(fā)展的塑料生物降解技術，而性質(zhì)優(yōu)良、活力高的 PET 降解酶是 PET 生物降解技術最為關鍵的組件。
其中，發(fā)展酶直接降解技術要求高耐溫性，能夠以工業(yè)生產(chǎn)技術大量表達的酶；而利用微生物降解，則需要能夠適配底盤細胞的酶。因此，為了更好地發(fā)展 PET 生物降解技術，仍需要挖掘更多具有應用潛力的 PET 降解酶。
“從可降解 PET 的微生物中篩選新型 PET 降解酶是一個方法，但是速度較慢，且環(huán)境中許多微生物無法在實驗室中培養(yǎng)出來，而僅從相似序列中篩選可能的 PET 降解酶成功率亦低?！?郭瑞庭表示。
因此研究團隊利用 X 射線晶體衍射技術，深入剖析 PET 降解酶復合體晶體結(jié)構(gòu)，觀察底物結(jié)合模式與構(gòu)像變化，尋找到將角質(zhì)酶轉(zhuǎn)變成 PET 降解酶的兩個關鍵氨基酸，并藉由導入這些特征來創(chuàng)造出更多新型 PET 降解酶。
這些研究將為 PET 降解酶的分子機理研究奠定重要基礎，更有可能創(chuàng)制出多種適用于各種 PET 生物降解技術時所需要的酶種。
二十多年對酶 “情有獨鐘”，一路積極探索 “未解之謎”
郭瑞庭研究酶結(jié)構(gòu)與應用已超過 20 年，他對酶始終 “情有獨鐘”。碩士研究生時期，他開始對蛋白結(jié)構(gòu)感興趣。碩士畢業(yè)后，郭瑞庭選擇了進生物實驗室設備及耗材公司工作。
“盡管當時工資待遇不錯，但我發(fā)現(xiàn)還是喜歡在實驗室專注地做實驗。即便是創(chuàng)造出‘微不足道’的科研成果，但在自已看來，那卻感覺是‘重磅成果’。而且，作為全世界第一個知道該研究可能性的人，那種興奮與喜悅的感覺無法用語言來形容?！?郭瑞庭說。
正是這樣，他決定再度進入象牙塔研究酶，跟著博士導師學習 X 光晶體學。讀博期間，酶的結(jié)構(gòu)、機理與應用令郭瑞庭異常著迷。
郭瑞庭告訴 DeepTech，沒想到一個小小的蛋白，卻能催化各式各樣的化學反應，維持著各種生命的蓬勃發(fā)展。與此同時，科學家及生物科技企業(yè)已開始關注到這支 “潛力股”，陸續(xù)將各種酶種應用到各行業(yè)。

郭瑞庭表示，“那時我不只對酶的結(jié)構(gòu)、機理感興趣，也對如何改造酶、生產(chǎn)酶、應用酶，產(chǎn)生了濃厚的興趣。”
博士畢業(yè)后，郭瑞庭到了美國做博士后。緊接著，畢業(yè)回國，于 2010 年時加入了中科院天津工業(yè)生物技術研究所，同時在酶制劑企業(yè)擔任研發(fā)總顧問，專門負責酶結(jié)構(gòu)解析、改造與生產(chǎn)應用。2018 年，加入湖北大學生命科學學院、省部共建生物催化與酶工程國家重點實驗室。
直到現(xiàn)在，他仍覺得酶充滿了神奇的力量。郭瑞庭表示，目前還有很多關于酶的知識仍然是 “未解之謎”。不管是在高校實驗室，還是在企業(yè)研發(fā)部，在研發(fā)過程中，酶從初期的基礎研究到最終的生產(chǎn)應用，都有可能 “一不留神” 就在實驗過程的某個環(huán)節(jié)失敗。
郭瑞庭認為，要學會與失敗 “做朋友”，經(jīng)驗就是靠不斷失敗和總結(jié)積累而成的，需要用平常心看待結(jié)果。“實驗失敗并不可怕，可以說是‘家常便飯’。失敗后，需要稍微平靜一下，比如打場羽毛球、喝杯茶、吃頓飯，再重整心情，調(diào)整好方向。這樣，好成果、好文章、好產(chǎn)品才會陸續(xù)像雨后春筍般地出現(xiàn)?！?/span>
就是在這樣的一次次堅持和調(diào)整中，郭瑞庭和團隊最終一次次得到理想中的結(jié)果。他表示，作為優(yōu)秀的科學家，必須有不畏艱難、堅持到底的精神，還要對失敗保持好心態(tài)。
“做好科研領路人，是初心，更是使命”
談及未來發(fā)展，他表示，今后的時間，仍然會堅持研究酶的機理與應用，包含對環(huán)境保護有關的塑料降解酶，以及和糧食安全有關的霉菌毒素降解酶的研究及應用。
他進一步說道，“從目前全世界共同努力的研究進展來看，耐高溫、高活性適合用于直接酶降解塑料的酶；在常溫下，高活性應用于微生物降解塑料所需的酶，將有可能很快研發(fā)出來，也極有可能實現(xiàn)低價、大規(guī)模生產(chǎn)。而生物降解 PET 塑料的穩(wěn)定性工藝，預計在幾年內(nèi)就能實現(xiàn)?！?/span>
郭瑞庭表示，一輩子很短，能始終堅持自己喜歡的科研方向，是初心，更是使命。他認為，除了做科研，為學生們傳授專業(yè)知識，使他們對科研感興趣、有創(chuàng)造性思維、將來做對國家社會有貢獻的人?！白龊每蒲械摹啡恕?，同樣具有非凡的意義?！?/span>