作者：Yibo Song¹, Anni Li¹, Haiyang Cui¹, Bo Zhou, Jie Qiao, Junnan Wei, Xiujuan Li*

01 论文信息

论文信息

Song Y, Li A, et al. Protein language model empowered the robust ASR-driven PET hydrolase featured with two PET binding motifs[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.03.005

论文下载

Protein language model empowered the robust ASR-driven PET hydrolase featured with two PET binding motifs

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 南京师范大学李秀娟研究员：蛋白质语言模型助力开发祖先序列驱动型 PET 水解酶

02 背景简介

在酶工程领域，传统的定向进化策略越来越无法满足大规模筛选潜在生物催化剂的需要。深度学习（DL）技术的兴起开创了从大数据中加速预测的新时代，语言建模方面的最新突破彻底改变了科学研究中对序列数据的处理，大大提高了我们预测蛋白质结构、结构域相互作用和酶功能的能力。在众多需要工程化的酶中，PET水解酶因其降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、解决塑料污染的潜力而成为研究的重点。ASR1-PETase是一种以半胱氨酸催化位点为特征的祖先PET水解酶，能显著加速PET的水解，并最大限度地减少中间产物单(2-羟乙基)对苯二甲酸（MHET）的积累。

近期，南京师范大学李秀娟研究员团队在Green Carbon发表题为“Protein language model empowered the robust ASR-driven PET hydrolase featured with two PET binding motifs”文章，利用蛋白质语言模型ESM-1V作为氨基酸优化器，有效鉴定出ASR1-PETase的四个有益变体，它们将终产物对苯二甲酸（TPA）的产量提高了1.7倍。与五突变体FAST-PETase（N233K/R224Q/S121E/D186H/R280A）相比，三突变体ASR1-HRT（N81H/W120R/V265T）通过单个有益变体的重组，使TPA产量提高了6.1倍。此外，ASR1-HRT对商用PET塑料的解聚率达到96.1%。分子动力学模拟显示，高温下结构稳定性的增强以及溶解导致的催化反应变化有助于实现高效稳定的特性。此外，通过在分子水平上探索酶与PET薄膜的相互作用图谱，发现ASR1-PETase的两个基团在固液界面的催化过程中发挥了关键作用，进而增强了酶在PET薄膜上的初始吸附，提高了水解性能。可见，蛋白质语言模型优化策略有望应用于其他酶，从而有效加速蛋白质工程。

03 文章简介

应用蛋白质语言模型ESM-1V对ASR1-PETase进行预测改造

通过应用ESM-1V模型，可以直接获得ASR1位点饱和突变库，然后进行单位点突变验证，以获得有益的变体。通过重组诱变以及对鉴定出的变体进行了体外和计算表征，最终得到4个有益的单点变体（ASR1-V265T, ASR1-N81H, ASR1-W120R, ASR1-L122K）和最优突变体（ASR1-HRT）。（图1）

图1. 以 ASR1-WT 为代表模型，利用蛋白质语言模型对酶的性能进行微调

通过MD模拟揭示ASR1变体鲁棒性提升的内在机理

开展ASR1-PETase突变体的MD分析，以解析其对PET催化活性和热稳定性提升的因素。得到结论如下：i）变体酶整体结构稳定，均方根偏差（RMSD）降低，内部氢键增加；ii）底物与变体催化三元组残基之间的距离缩短，同时重塑了底物结合腔（SBC）溶解环境。（图2）

图2. 通过 MD 模拟探究 ASR1-WT 及其变体在不同温度下的结构特性和催化活性

ASR1突变体可有效解聚PET薄膜

使用PET薄膜和未预处理的PET塑料盒来实际检验五种ASR1-PET酶突变体的催化效率。ASR1-HRT降解PET薄膜粉末释放的PET单体（4.2 mM）比ASR1-PETase（1.1 mM）高3.8 倍。降解PET塑料盒120 h后的最终降解率达到96.06%，这一结果表明ASR1-HRT具有显著的PET水解活性，其与ASR1的热稳定性也相当，性能优于其他基准生物催化剂。（图3）

图3. ASR1-PETase 变体在实际工艺中的催化效率

ASR1突变体的两个“捕获钳”基团增强了其与PET表面的结合亲和力

使用MD模拟观察到了ASR1的具体吸附过程：位于蛋白质序列头部和尾部的两个类似“捕获钳”的基团与PET薄膜建立了初步接触，促使蛋白质的其余部分进一步与PET表面相互作用。最终，大部分ASR1-WT蛋白吸附在薄膜上，使其活性位点朝向PET表面，而“捕获钳”则脱离薄膜。（图4）

图4. ASR1-WT 及其变体与 PET 薄膜的吸附反应过程比较

模拟分析证明“捕获钳”中的基团与PET薄膜的非共价相互作用和整体结合能增加，溶剂化现象更为显著，大大有助于活性位点的有效定位，从而提高PET的降解效率。（图5）

图5. ASR1 酶的两个 PET 结合基团介导的吸附反应驱动力的机制

总结与展望

本研究利用ESM-1V的能力来提高ASR1-PETase的催化性能。与FAST-PETase相比，三突变体ASR1-HRT在高温下的对苯二甲酸双羟乙酯（BHET）解聚效率显著提高6.1倍。此外，ASR1-HRT在120小时内的PET解聚率超过96%。本研究强调了基于蛋白质语言模型的方法在酶工程中的广泛适用性，提供了对固液界面PET解聚驱动机制的理解。本研究所发现的“捕获钳夹”基团为其他PET降解酶的工程化提供了重要理论支持，从而为提高PET薄膜解聚效率和应对全球塑料废物挑战的先进策略铺平了道路。

04 作者简介

李秀娟 研究员

李秀娟，南京师范大学特岗研究员、副教授。主要致力于将酶工程、P计算生物学、AI等前沿技术深度融合于资源废弃物的循环利用研究中，助力实现碳中和碳达峰目标。近五年以第一/通讯作者（含共同）身份在在Nature Communication、Angewandte Chemie-International Edition和Journal of Hazardous Materials等多个国际知名期刊上发表论文30余篇授权专利12项，2项实现成果转化。承担国家重点研发计划、国家自然科学基金等多个重大项目。

05 Green Carbon

期刊官网：Green Carbon官网

投稿网址：Green Carbon投稿

公众号：Green Carbon公众号

知乎：Green Carbon知乎主页

科学网：Green Carbon科学网主页

微博：Green Carbon微博主页