Ideonella sakaiensis菌PET降解能力提升

聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET） 由于其耐久性、價(jià)格低廉和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的合成塑料之一。然而，廢棄的塑料廢物是造成環(huán)境問題的主要原因之一，會(huì)污染海洋和土壤中的環(huán)境，并且這些塑料經(jīng)過風(fēng)化分解后會(huì)產(chǎn)生小于 5 mm 的微塑料顆粒，這些細(xì)小顆粒會(huì)對(duì)環(huán)境問題造成更大的影響。而且，這些微塑料被海洋生物攝入后會(huì)在它們的體內(nèi)積累，最終通過食物鏈轉(zhuǎn)移到人類的體內(nèi)。因此，塑料廢棄物不僅是造成環(huán)境污染的主要因素之一，而且對(duì)人類健康有著嚴(yán)重影響。為了解決或減輕這些環(huán)境問題，人們開發(fā)了一些對(duì)塑料廢物進(jìn)行化學(xué)和物理處理的技術(shù)；然而，這些技術(shù)帶來(lái)的副產(chǎn)品也依然會(huì)對(duì)環(huán)境污染有一定的影響。因此，研究者試圖開發(fā)使用角質(zhì)酶和脂肪酶的生物方法來(lái)降解塑料；然而，這些酶對(duì) PET 降解能力較低，并且需要相對(duì)較高的溫度（約 70℃）才能實(shí)現(xiàn)其酶的活性。

最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種全新的微生物細(xì)菌，將可以解決塑料帶來(lái)的環(huán)境問題，這種細(xì)菌名叫Ideonella sakaiensis，能夠有效的利用PET作為碳源，并且可以利用兩種酶（PETase 和 MHETase）將PET聚合物降解成對(duì)苯二甲酸單羥乙基的單體（MHET）。更重要的是，和來(lái)源于其它細(xì)菌的PET降解酶相比，來(lái)源于Ideonella sakaiensis的IsPET降解酶不僅具有比迄今為止已知能夠降解 PET 的任何其他酶高得多的降解活性，而且還在中等溫度下發(fā)揮作用，對(duì)環(huán)境具有很好的適用性。

2019年3月11日，韓國(guó)慶北大學(xué)生命科學(xué)院的Hyeoncheol Francis Son等人在《ACS Catalysis》雜志（IF＝12．221，化學(xué)一區(qū)）發(fā)表了題目為“Rational Protein Engineering of Thermo－Stable PETase from Ideonella sakaiensis for Highly Efficient PET Degradation”的文章。

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所用到的主要方法

METHODS

1．蛋白質(zhì)制備

2．熔化溫度（Tm）測(cè)量

3．PET薄膜降解

4．蛋白質(zhì)熱滅活實(shí)驗(yàn)

5．HPLC分析

6．結(jié)晶、數(shù)據(jù)收集和結(jié)構(gòu)確定

7．PET薄膜結(jié)晶度的測(cè)量

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文章主要內(nèi)容摘要

ABSTRACT

聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）的廣泛使用引起了各種環(huán)境和健康問題，使用生物酶法降解PET塑料是一個(gè)很有前途的解決方案。盡管來(lái)自Ideonalla sakaiensis的PET降解酶 （IsPETase） 是迄今為止在溫和條件下PET 降解活性最高 的PET 降解酶，但其熱穩(wěn)定性較低限制了其應(yīng)用。為了提高 PET 降解活性，本文根據(jù)IsPETase的蛋白結(jié)構(gòu)信息，利用IsPET降解酶的突變體進(jìn)行了熱穩(wěn)定性篩選，開發(fā)了一種合理的蛋白質(zhì)工程策略。設(shè)計(jì)了具有穩(wěn)定的β6－β7 連接區(qū)域和擴(kuò)展的亞位點(diǎn)IIc的IsPETaseS121E／D186H／R280A 突變體。與IsPET降解酶的野生型相比，IsPETaseS121E／D186H／R280A突變體 的Tm 值提高了8．81℃，PET的降解活性增強(qiáng)了14倍。通過突變體的結(jié)構(gòu)測(cè)定也進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的蛋白改造技術(shù)是有效的，并且通過熱滅活實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了其具有高的熱穩(wěn)定性。

本文所提出的蛋白改造技術(shù)和開發(fā)的突變體為實(shí)現(xiàn)在溫和條件下能夠?qū)?PET 完全生物降解提供了一個(gè)新思路。