湖北大學(xué)團(tuán)隊(duì)獲得解決白色污染的“獨(dú)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(jì)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?yàn)?PET 即便在濕度達(dá) 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(yuǎn)超過生產(chǎn)新的塑料的生產(chǎn)成本。

與 PET 生物降解有關(guān)的技術(shù)或要等到普遍地禁止新生產(chǎn)的 PET，才有較大的機(jī)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(jìn)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(lǐng)域的熱門研究課題。

近日，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、省部共建生物催化與酶工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國科學(xué)院等團(tuán)隊(duì)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(shù)，未來有望應(yīng)用于利用微生物或酶介導(dǎo)平臺進(jìn)行生物降解，可將 PET 完全降解。

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

湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、省部共建生物催化與酶工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)陳純琪教授、中科院天津工生所韓旭高級工程師、湖北大學(xué)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(guān)鍵秘密”

PET 因防水、耐熱、抗酸堿腐蝕的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飲食、****品包裝、人造纖維和工程機(jī)械制造等領(lǐng)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(xué)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(shí)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(xué)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(xué)法使用強(qiáng)酸強(qiáng)堿或有機(jī)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(fù)擔(dān)。
2016 年，日本大阪近郊的 PET 回收處分離了一株能 “吃” PET 的細(xì)菌 — Ideonella sakaiensis。這株細(xì)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(xì)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(xì)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(tuán)隊(duì)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(dǎo)了 IsPETase 的晶體結(jié)構(gòu)與酶和底物類似物的復(fù)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(guān)論文發(fā)布在 Nature communications。
該科研團(tuán)隊(duì)多年來在這個領(lǐng)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(xì)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(tuán)隊(duì)統(tǒng)整各種高分子生物降解機(jī)理，特別是針對酶的結(jié)構(gòu)特性與底物結(jié)合模式進(jìn)行討論，找尋其中的關(guān)聯(lián)以及微生物因應(yīng)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(guān)論文于 2020 年 3 月發(fā)表在 Nature Reviews Chemistry ，并成為當(dāng)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(jìn)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(tuán)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(guān)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(diǎn)是有可能在短時間之內(nèi)發(fā)生的，這只需要透過利用導(dǎo)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(yīng)生存環(huán)境中堆積的大量 PET 廢棄物，細(xì)菌在古老的角質(zhì)酶中導(dǎo)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(yīng)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(jī)制的可能性。
此外，導(dǎo)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(tuán)隊(duì)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(shù)創(chuàng)造出重要價值。
“利用微生物或者酶介導(dǎo)平臺來針對塑料進(jìn)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(shù)，而性質(zhì)優(yōu)良、活力高的 PET 降解酶是 PET 生物降解技術(shù)最為關(guān)鍵的組件。
其中，發(fā)展酶直接降解技術(shù)要求高耐溫性，能夠以工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)大量表達(dá)的酶；而利用微生物降解，則需要能夠適配底盤細(xì)胞的酶。因此，為了更好地發(fā)展 PET 生物降解技術(shù)，仍需要挖掘更多具有應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)利用 X 射線晶體衍射技術(shù)，深入剖析 PET 降解酶復(fù)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(guān)鍵氨基酸，并藉由導(dǎo)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(jī)理研究奠定重要基礎(chǔ)，更有可能創(chuàng)制出多種適用于各種 PET 生物降解技術(shù)時所需要的酶種。
二十多年對酶 “情有獨(dú)鐘”，一路積極探索 “未解之謎”
郭瑞庭研究酶結(jié)構(gòu)與應(yīng)用已超過 20 年，他對酶始終 “情有獨(dú)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(jìn)生物實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及耗材公司工作。
“盡管當(dāng)時工資待遇不錯，但我發(fā)現(xiàn)還是喜歡在實(shí)驗(yàn)室專注地做實(shí)驗(yàn)。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(jìn)入象牙塔研究酶，跟著博士導(dǎo)師學(xué)習(xí) X 光晶體學(xué)。讀博期間，酶的結(jié)構(gòu)、機(jī)理與應(yīng)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(xué)反應(yīng)，維持著各種生命的蓬勃發(fā)展。與此同時，科學(xué)家及生物科技企業(yè)已開始關(guān)注到這支 “潛力股”，陸續(xù)將各種酶種應(yīng)用到各行業(yè)。

郭瑞庭表示，“那時我不只對酶的結(jié)構(gòu)、機(jī)理感興趣，也對如何改造酶、生產(chǎn)酶、應(yīng)用酶，產(chǎn)生了濃厚的興趣?！?/span>
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(shù)研究所，同時在酶制劑企業(yè)擔(dān)任研發(fā)總顧問，專門負(fù)責(zé)酶結(jié)構(gòu)解析、改造與生產(chǎn)應(yīng)用。2018 年，加入湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、省部共建生物催化與酶工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guān)于酶的知識仍然是 “未解之謎”。不管是在高校實(shí)驗(yàn)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(chǔ)研究到最終的生產(chǎn)應(yīng)用，都有可能 “一不留神” 就在實(shí)驗(yàn)過程的某個環(huán)節(jié)失敗。
郭瑞庭認(rèn)為，要學(xué)會與失敗 “做朋友”，經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jiān)持和調(diào)整中，郭瑞庭和團(tuán)隊(duì)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(xué)家，必須有不畏艱難、堅(jiān)持到底的精神，還要對失敗保持好心態(tài)。
“做好科研領(lǐng)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(jiān)持研究酶的機(jī)理與應(yīng)用，包含對環(huán)境保護(hù)有關(guān)的塑料降解酶，以及和糧食安全有關(guān)的霉菌毒素降解酶的研究及應(yīng)用。
他進(jìn)一步說道，“從目前全世界共同努力的研究進(jìn)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(yīng)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(shí)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(yù)計在幾年內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)?！?/span>
郭瑞庭表示，一輩子很短，能始終堅(jiān)持自己喜歡的科研方向，是初心，更是使命。他認(rèn)為，除了做科研，為學(xué)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(xiàn)的人?！白龊每蒲械摹啡恕瑯泳哂蟹欠驳囊饬x。”