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Science和Nat Commun两篇研究揭示出塑料PET降解分子机制

来源:本站原创 2018-02-03 12:48

2018年2月3日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,来自韩国科学技术高级研究院(KAIST)的一个代谢工程研究小组发现了聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)具有优异的可降解性的分子机制。这是首次报道来自细菌Ideonella sakaiensis的PETase(即一种降解PET的酶,也被称作IsPETase)的三维晶体结构,并且开发出它的一种具有增强的PET降解能力的新型变体。相关研究结果于2018年1月26日在线发表在Nature Communications期刊上,论文标题为“Structural insight into molecular mechanism of poly(ethylene terephthalate) degradation”。论文通信作者为KAIST化学与生物分子工程系的Sang Yup Lee教授和韩国庆北国立大学生物技术系的Kyung-Jin Kim教授。
图片来自KAIST。

科学家们一直致力于解决材料的不可降解问题。2016年,来自日本的一个研究小组在Science期刊上发表的一项研究中鉴定出一种被称作Ideonella sakaiensis的降解PET的细菌,这种细菌可能降解和再循环利用PET。然而,PET降解的详细分子机制仍然是未知的。

这项研究通过模拟PETase与一种PET替代性模拟底物之间的对接,预测了一种特殊的分子机制。他们利用基于结构的蛋白工程构建出IsPETase的一种具有增强的PET降解活性的变体。

据预计这项研究中使用的新方法可能有助于进一步研究其他的不仅能够降解PET而且也能够降解其他塑料的酶。

在使用后,PET由于其不可生物降解性而引起环境污染问题。传统上,PET在垃圾掩埋场通过焚化进行处理,有时使用化学方法进行再循环利用,但这会导致进一步的环境污染。因此,高效率的PET降解酶和基于生物的环保方法是人们想要的。

近期,日本研究人员分离出一种新的细菌物种,即Ideonella sakaiensis,它能够使用PET作为碳源。这种细菌中的IsPETase能够比其他PET降解酶更加成功地降解PET。然而,它的详细的作用机制尚未被阐明,这阻碍了进一步的研究。

在这项新的研究中,这些研究人员研究了作为底物的PET如何与酶IsPETase结合,以及相比于其他的角质酶(cutinase)和酯酶,这种酶结构存在的哪些差异导致相对较高的PET降解活性。基于三维结构和相关的生化研究,他们成功地确定了IsPETase的PET降解活性的基础,并且利用一种新的系统进化树提出其他的能够降解PET的酶。他们指出由于IsPETase存在一种结构裂缝,PET的4个单羟乙基对苯二甲酸乙二醇酯(monohydroxyethyl terephthalate, MHET)部分是最为匹配的底物,即便对PET的10~20聚体而言,也是如此。鉴于这是首次模拟PETase与PET而不是它的单体之间的对接,这是有意义的。

此外,他们成功地开发出IsPETase的一种具有更高PET降解活性的新型变体,并利用这种变体的晶体结构来证实这种变体的结构变化使得它比野生型IsPETase更好地适应底物PET,这将导致人们开发出优异的酶和构建平台用于基于微生物的塑料再循环利用。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Seongjoon Joo, In Jin Cho, Hogyun Seo et al. Structural insight into molecular mechanism of poly(ethylene terephthalate) degradation. Nature Communications, Published online:26 January 2018, doi:10.1038/s41467-018-02881-1

Shosuke Yoshida, Kazumi Hiraga, Toshihiko Takehana et al. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science, 11 Mar 2016, 351(6278):1196-1199, doi:10.1126/science.aad6359

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