聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是目前全球應(yīng)用最廣泛的合成聚酯，被廣泛用于飲料、食品包裝材料以及紡織纖維。然而，其廢棄物不可自然降解，導(dǎo)致了較嚴(yán)重的環(huán)境污染。利用環(huán)境友好的生物法將廢棄塑料降解為較低分子量單體，進(jìn)行循環(huán)利用，能顯著促進(jìn)節(jié)能減排，助力碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。

中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所結(jié)構(gòu)生物學(xué)平臺實驗室和德國格拉夫斯瓦爾德大學(xué)合作，對來源于宏基因組的兩種塑料水解酶（PES-H1和PES-H2）進(jìn)行了研究，解析了其高分辨結(jié)構(gòu)以及與PET類似物的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。并通過結(jié)構(gòu)分析和分子動力學(xué)模擬探究了產(chǎn)抑制和多重底物結(jié)合模式，為進(jìn)一步推進(jìn)PET的綠色降解提供了重要支撐。

目前，PDB數(shù)據(jù)庫中已有超過70種PET降解酶的晶體結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)是沒有底物結(jié)合的apo結(jié)構(gòu)。為研究PET水解的催化機(jī)理，研究團(tuán)隊分別解析了PES-H1與檸檬酸鹽(PDB：7E30)以及與底物類似物MHETA的(PDB：7W6C，7W6O和7W6Q)復(fù)合體結(jié)構(gòu)，以更好地理解結(jié)合PET底物時蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化。此外，還解析了PES-H2與聚乙二醇(PEG)6000(PDB：7E31)和與BHET(PDB：7W66)復(fù)合體結(jié)構(gòu)。根據(jù)PES-H1(結(jié)合MHETA)和PES-H2(結(jié)合BHET)的結(jié)構(gòu)，確定了6種配體結(jié)合模式，揭示了多種非催化中間體結(jié)合模式，以此為基礎(chǔ)，對潛在的熱點(diǎn)基因和底物結(jié)合區(qū)的關(guān)鍵位點(diǎn)進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，PES-H1-R204C/S250C變體的Tm比野生型酶提高了6°C以上；在72°C下，PES-H1-L92F/Q94Y變體不但提高了對非晶態(tài)PET膜和預(yù)處理的真實PET廢物的水解活性，而且水解低結(jié)晶度PET的效率是此前文獻(xiàn)報道活性最高的LCC-ICCG的兩倍多，這一工程突變體有望成為工業(yè)塑料回收過程中的降解酶。

上述研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)協(xié)會和國家留學(xué)基金管理委員會的資助。天津工業(yè)生物所劉衛(wèi)東研究員和德國格拉夫斯瓦爾德大學(xué)韋韌以及Uwe T. Bornscheuer教授為共同通訊作者。

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PES-H1和PES-H2的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

PES-H1突變體對多種PET材料的水解活性