自然界有一种能“吃”PET塑料的细菌，它依靠一种特殊的酶将PET水解成可以利用的小分子。目前为止还没有找到第二种能“吃”PET的细菌。

这种细菌分泌的酶真的与众不同吗？它为什么能在同类酶中脱颖而出，练就“吃”塑料的独门绝技？

塑料废弃物在环境和生态系统中造成的污染，已经成为不可忽视的严重问题。聚对苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate，PET），是生产与消耗量最多的塑料之一，目前全球年产量已近7000万吨。

PET防水、耐热、抗酸碱腐蚀，所以大量运用在食品饮料包装和人造纤维中，大多数矿泉水瓶原料就是PET。大部分PET废弃物以土地掩埋或焚烧法来处理。

论文共同通讯作者郭瑞庭告诉《中国科学报》，PET的回收率仅有10%左右，而目前较常使用的物理或化学回收法都有其限制性。“因此，发展温和绿色的生物降解法来处理PET废弃物，是人类社会寻求可持续发展的重要课题。

”

PET为聚酯大分子，“理论上有可能被能够降解酯键的酶所水解，然而大量的芳香环以及结构致密的结晶区，使得PET对于酶介导的作用有非常强的抗性。因此，寻找更为有效的PET降解酶是开发生物降解PET技术的核心”。论文共同第一作者、湖北大学教授陈纯琪在接受《中国科学报》采访时说。

图一 PET塑料单体、聚合体、产品，以及废弃物处理的主要手段。

塑料性质稳定，一般认为需要数百年的时间才可能被自然分解。2016年，Yoshida等人在日本大阪近郊的PET回收处分离了一株能“吃”PET的细菌Ideonella sakaiensis。

这株细菌分泌一个能够将PET水解成小分子的酶，被称为IsPETase，分解后的小分子MHET与TPA可以被这种细菌吸收利用。

“IsPETase是目前为止唯一在自然界演化产生的真正意义上的PET降解酶。”郭瑞庭说，不过，IsPETase并不是一个全新的酶，而是属于一种古老的酶种——角质酶。

论文共同通讯作者、湖北大学副教授戴隆海介绍，角质酶原本是微生物用来分解植物角质层的。研究发现，古老的角质酶分解PET的活力非常低，但与角质酶结构非常相似的IsPETase却能够很好的水解PET。

“PET问世不到70年，细菌如何能够在这么短的时间内把角质酶转变成PET降解酶？”郭瑞庭说，其中的奥秘始终没有被揭露。 

图二、PET生物降解机制。I. sakaiensis降解代谢PET途径简图。I. sakaiensis表达IsPETase与MHETase将PET降解成TPA单体后，在胞内进行TPA代谢。

郭瑞庭与陈纯琪团队长期从事蛋白质结构与功能分析。此前，他们已经联手解析了IsPETase的晶体结构。

2017年，他们首度在国际上报道了IsPETase的晶体结构与酶和底物类似物的复合体结构。

陈纯琪介绍，他们发现，与经典的角质酶比对，IsPETase有三个主要结构特征：IsPETase的第二底物结合域多了一段，可能与PET的结合有关；IsPETase比经典的角质酶多出一对二硫键，作用在于稳定上述结构域多出的一段；IsPETase第一底物结合域较为宽阔，这是因为一个关键的底物结合氨基酸W185采取多样构型，导致底物结合口袋可能出现较为宽阔的构像。

2020年，他们又对比IsPETase与角质酶的蛋白质结构，发现角质酶的底物结合区较为狭窄，比较适合作用于形状细长的角质，而不利于作用在构造较为宽大的PET上。

图三 PET降解酶结构特征。(A) IsPETase与底物类似物复合体结构(PDB ID，5XH3)，红色虚线框：活性中心的催化三联体，黑色虚线框：底物结合域。(B) IsPETase特有之结构特征。

图四 2020年3月Nature Reviews Chemistry 封面文章。郭瑞庭教授团队总结各种高分子生物降解机理，特别针对酶的结构特性与底物结合模式进行讨论，找寻其中的关联以及微生物因应人造物质出现的演化方向，为生物质资源的利用与塑料生物降解提供未来展望。

论文共同通讯作者、湖北大学副教授黄建文介绍，他们根据上述三个结构特征来寻找更多具有降解PET活性的酶。

然而，利用第一个和第二个特征找到的酶降解PET的活力依然很低。“于是我们转而专注于第三项特征。”黄建文说。

于是，他们有了新的发现。

论文共同第一作者、中科院天津工业生物技术研究所助理研究员韩旭介绍，IsPETase底物结合区的组成与角质酶是一样的，但IsPETase底物结合区的氨基酸W185可以自由摆动。

“当PET结合到IsPETase上时，氨基酸W185会往下压低一些。如此一来，底物结合区的空间就变得较为开阔，这样就能够容纳较大的PET分子。”陈纯琪说。

郭瑞庭告诉记者，所有的角质酶在相对的位置都具有这个色氨酸，但是在所有角质酶里面，这个色氨酸侧链的方向都是固定的。“为什么同样的氨基酸，在两种相似的酶里面会展现不同的构像变化呢？这么细微的差异真的是造成IsPETase与角质酶降解PET活力高低不同的关键因素吗？”面对这两个问题，郭瑞庭团队开始了深入的解析。

图五、IsPETase与其他经典角质酶活性区关键差异。IsPETase活性区当中负责结合底物的W185展现三种不同构像，结合了底物的是蓝色构像。在其他角质酶中W185相对应的色氨酸则是红色的构像，并不利于结合PET。

郭瑞庭介绍，进一步分析色氨酸邻近的区域发现，在所有角质酶中，色氨酸下方有组氨酸与苯丙氨酸这两个侧链较大的氨基酸（简称大二元体）支撑着，它们就像支架一样固定住了色氨酸使其无法转动。

而在IsPETase中，氨基酸W185下方则是丝氨酸和异亮氨酸（简称小二元体），它们的侧链基团较小，固定不住W185。“因此，W185就能自由摆动，IsPETase的底物结合区也就能够伸缩自如了。”陈纯琪说。

有趣的是，将IsPETase的小二元体换成大二元体, PET降解的活性就会大幅下降；反之，将角质酶中的大二元体换成小二元体，降解PET的活性就会大幅提升。

图六 郭瑞庭团队测试了8个角质酶，发现其中6个角质酶导入Ser/Ile小二元突变可创制新型PET降解酶。图为六个有明显效果的酶降解PET所得产物的HPLC层析图谱，黑色线为野生型带有大二元体的酶，红色线为DM突变带有小二元体的酶。

“由此可知，大小二元体的转换极有可能就是产生一个PET降解酶最关键的条件。”戴隆海说，考查密码子可以发现，只需要突变三个碱基就能够将大二元体变成小二元体，而累积三个突变位点是有可能在短时间之内发生的。

郭瑞庭认为，由此可以推论，为了快速适应生存环境中堆积的大量PET废弃物，细菌在古老的角质酶中导入突变，将之转变成了一个有效的PET降解酶，用以分解PET作为能量的来源。

“微生物在短时间内选择了突变角质酶来分解PET，显示这可能是产生一个PET降解酶最快速有效的途径。”郭瑞庭说，这些结果为大自然应对并分解塑料的演化过程提出理论根据，也揭示了自然界在短时间演化出更多塑料降解酶机制的可能性。

此外，“导入小二元体是创制更多性质优良的PET降解酶的一个有效的策略。”陈纯琪说，他们已经利用这个方法获得了多个新型的PET降解酶，而这一系列的新酶将对发展生物降解塑料技术创造重要价值。 

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41929-021-00616-y

参考文献

1, Structural insight into catalytic mechanism of PET hydrolase,Nature Communications volume 8, Article number: 2106 (2017).

2, Enzymatic degradation of plant biomass and synthetic polymers

，Nature Reviews Chemistry volume 4, pages114–126 (2020).