湖北大学团队获得解决白色污染的“独家秘方”！可在短期内制造大量、低价的高活性塑料降解酶丨专访

白色污染是自然环境最令人头疼的 “世纪难题” 之一，它的主要来源是聚对苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate，PET），俗称涤纶。

难在何处？因为 PET 即便在湿度达 100% 的情况下，降解 PET 也需要数百年，属于 “顽固性” 难降解。

全球都在为减少塑胶垃圾做积极努力，目前已有 40 多个国家立法减塑或禁塑。但以生物法降解塑料相对昂贵许多，成本远超过生产新的塑料的生产成本。

与 PET 生物降解有关的技术或要等到普遍地禁止新生产的 PET，才有较大的机会获得产业化，到时世界各地将仍有大量残留的 PET 塑料垃圾需要处理。

此外，PET 对生态环境及人类健康存在着威胁。常有众多鸟类、海洋生物等因误食被丢弃的塑料垃圾而死亡的报道。据报道，每年大约有 800 万吨的塑料被扔进海里，如果再不改变现状，到 2050 年，海洋中的塑料总重量将可能超过鱼的总重量，成为 “海洋黑客”。

那么，各种塑料垃圾最终去向何方？

通常，塑料垃圾在日晒雨淋后，会被分解成塑料微粒。但这并不是真正的分解，很大程度上会被鱼吃掉，人类再吃鱼，最终部份塑料微粒留在人类体内，成为 “恶性循环”。所以，如何彻底将 PET 安全、环保地降解成为该领域的热门研究课题。

近日，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室与中国科学院等团队联合研发了一种快速创制安全、环保、低能耗、可持续使用的 PET 塑料降解酶技术，未来有望应用于利用微生物或酶介导平台进行生物降解，可将 PET 完全降解。

5 月 20 日，相关论文以《PET 塑料降解酶的酶活力关键开关》（General features to enhance enzymatic activity of polyethylene terephthalate hydrolysis）为题发表在Nature Catalysis 上。

湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室郭瑞庭教授、戴隆海副教授、黄建文副教授为论文共同通讯作者。湖北大学陈纯琪教授、中科院天津工生所韩旭高级工程师、湖北大学博士生李鲜为论文共同第一作者。

发现快速创制 PET 塑料降解酶的 “关键秘密”

PET 因防水、耐热、抗酸碱腐蚀的特点，被广泛应用于饮食、****品包装、人造纤维和工程机械制造等领域，每年全球产量约 7000 万吨。日常处理 PET 废弃物的方法 “各有千秋”，包括物理法、化学法、生物法等。

据了解，掩埋是最简便的办法，但因土地资源有限，不可能无止境地实施；焚烧产生的热能可用于发电，但在焚烧过程中产生的有害物质和温室气体会造成二次污染；回收法是将 PET 废弃物分解获得原料再重制，使整个产业链成为一个闭环，这也是最理想的处理方式。

郭瑞庭表示，目前常用的是物理和化学回收法，物理法将塑料制品粉碎再重新制造，但是回收材料性质不稳定，推广有一定难度。而化学法使用强酸强碱或有机溶剂在高温高压下分解 PET，能耗高且副产物多，产生的废水也对环境造成极大的负担。
2016 年，日本大阪近郊的 PET 回收处分离了一株能 “吃” PET 的细菌 — Ideonella sakaiensis。这株细菌分泌一个能够将 PET 水解成小分子的酶，称 “IsPETase”，分解后的小分子 MHET 与 TPA 就可以被细菌吸收利用。

IsPETase 是目前为止唯一透过自然演化过程产生的真正意义上的 PET 降解酶。然而，IsPETase 并不是一个全新的酶，其属于一种古老的酶种 ——“角质酶”（其原本的作用是微生物用来分解植物角质）。
古老的角质酶分解 PET 的活力非常低，但 IsPETase 却能很好地水解 PET。而细菌如何能够在短时间内把角质酶转变成 PET 降解酶？在 PET 问世的近 70 年时间，其中的奥秘始终未被揭露。
郭瑞庭与陈纯琪团队长期从事蛋白质结构与功能分析的研究。2017 年，他们首度在国际上报导了 IsPETase 的晶体结构与酶和底物类似物的复合体结构，这也是迄今为止唯一有 PET 底物的结构，相关论文发布在 Nature communications。
该科研团队多年来在这个领域持续深入研究，透过比对 IsPETase 与角质酶的蛋白质结构，发现角质酶的底物结合区较为狭窄，较适合作用在形状细长的角质，而不利于作用在构造较为宽大的 PET。
据介绍，研究团队统整各种高分子生物降解机理，特别是针对酶的结构特性与底物结合模式进行讨论，找寻其中的关联以及微生物因应人造物质出现的演化方向，为生物质资源的利用与塑料生物降解提供未来展望，相关论文于 2020 年 3 月发表在 Nature Reviews Chemistry ，并成为当期封面文章。
郭瑞庭表示，IsPETase 底物结合区的组成与角质酶相同，但 IsPETase 底物结合区的一个 185 号色氨酸（W185）可以自由摆动，而在所有的角质酶中，色氨酸侧链的方向是固定的。
研究人员进一步分析色氨酸邻近的区域发现，在所有角质酶中，色氨酸下方有组氨酸与苯丙氨酸这两个侧链较大的氨基酸（简称大二元体）支撑着，它们就像支架一样，将色氨酸牢牢固定使其无法转动。
而在 IsPETase 中 W185 下方则是丝氨酸和异亮氨酸（简称小二元体），它们的侧链基团较小固定不住 W185，因此 W185 就能自由摆动，IsPETase 的底物结合区也就能 “伸缩自如” 了。
有趣的是，将 IsPETase 的小二元体换成大二元体，PET 降解的活性就会大幅下降，反之将角质酶中的大二元体换成小二元体，降解 PET 的活性就会大幅提升。由此可知，大小二元体的转换极有可能就是产生一个 PET 降解酶最关键的条件。
“考查密码子可以发现，只需要突变三个碱基就能够将大二元体变成小二元体，而累积三个突变位点是有可能在短时间之内发生的，这只需要透过利用导入小二元体的策略。” 郭瑞庭说。
所以，研究人员根据这些结果推论，为了快速适应生存环境中堆积的大量 PET 废弃物，细菌在古老的角质酶中导入突变将之转变成为有效的 PET 降解酶，以分解 PET 作为能量的来源。
微生物在短时间内选择了用突变角质酶分解 PET，显示这可能是产生一个 PET 降解酶快速有效的途径。这些结果为大自然应对并分解塑料的演化过程提出理论根据，也揭示了自然界在短时间演化出更多塑料降解酶机制的可能性。
此外，导入小二元体是创制更多优良性质 PET 降解酶的一个有效的策略，团队已经利用该方法获得了多个高酶活的 PET 降解酶，而这一系列的新酶将对发展生物降解塑料技术创造出重要价值。
“利用微生物或者酶介导平台来针对塑料进行生物降解，则是安全、环保、低能耗、对人类永续发展最理想的策略。” 郭瑞庭说。
总的来说，PET 生物降解是目前最有前景、亟待发展的塑料生物降解技术，而性质优良、活力高的 PET 降解酶是 PET 生物降解技术最为关键的组件。
其中，发展酶直接降解技术要求高耐温性，能够以工业生产技术大量表达的酶；而利用微生物降解，则需要能够适配底盘细胞的酶。因此，为了更好地发展 PET 生物降解技术，仍需要挖掘更多具有应用潜力的 PET 降解酶。
“从可降解 PET 的微生物中筛选新型 PET 降解酶是一个方法，但是速度较慢，且环境中许多微生物无法在实验室中培养出来，而仅从相似序列中筛选可能的 PET 降解酶成功率亦低。” 郭瑞庭表示。
因此研究团队利用 X 射线晶体衍射技术，深入剖析 PET 降解酶复合体晶体结构，观察底物结合模式与构像变化，寻找到将角质酶转变成 PET 降解酶的两个关键氨基酸，并藉由导入这些特征来创造出更多新型 PET 降解酶。
这些研究将为 PET 降解酶的分子机理研究奠定重要基础，更有可能创制出多种适用于各种 PET 生物降解技术时所需要的酶种。
二十多年对酶 “情有独钟”，一路积极探索 “未解之谜”
郭瑞庭研究酶结构与应用已超过 20 年，他对酶始终 “情有独钟”。硕士研究生时期，他开始对蛋白结构感兴趣。硕士毕业后，郭瑞庭选择了进生物实验室设备及耗材公司工作。
“尽管当时工资待遇不错，但我发现还是喜欢在实验室专注地做实验。即便是创造出‘微不足道’的科研成果，但在自已看来，那却感觉是‘重磅成果’。而且，作为全世界第一个知道该研究可能性的人，那种兴奋与喜悦的感觉无法用语言来形容。” 郭瑞庭说。
正是这样，他决定再度进入象牙塔研究酶，跟着博士导师学习 X 光晶体学。读博期间，酶的结构、机理与应用令郭瑞庭异常着迷。
郭瑞庭告诉 DeepTech，没想到一个小小的蛋白，却能催化各式各样的化学反应，维持着各种生命的蓬勃发展。与此同时，科学家及生物科技企业已开始关注到这支 “潜力股”，陆续将各种酶种应用到各行业。

郭瑞庭表示，“那时我不只对酶的结构、机理感兴趣，也对如何改造酶、生产酶、应用酶，产生了浓厚的兴趣。”
博士毕业后，郭瑞庭到了美国做博士后。紧接着，毕业回国，于 2010 年时加入了中科院天津工业生物技术研究所，同时在酶制剂企业担任研发总顾问，专门负责酶结构解析、改造与生产应用。2018 年，加入湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室。
直到现在，他仍觉得酶充满了神奇的力量。郭瑞庭表示，目前还有很多关于酶的知识仍然是 “未解之谜”。不管是在高校实验室，还是在企业研发部，在研发过程中，酶从初期的基础研究到最终的生产应用，都有可能 “一不留神” 就在实验过程的某个环节失败。
郭瑞庭认为，要学会与失败 “做朋友”，经验就是靠不断失败和总结积累而成的，需要用平常心看待结果。“实验失败并不可怕，可以说是‘家常便饭’。失败后，需要稍微平静一下，比如打场羽毛球、喝杯茶、吃顿饭，再重整心情，调整好方向。这样，好成果、好文章、好产品才会陆续像雨后春笋般地出现。”
就是在这样的一次次坚持和调整中，郭瑞庭和团队最终一次次得到理想中的结果。他表示，作为优秀的科学家，必须有不畏艰难、坚持到底的精神，还要对失败保持好心态。
“做好科研领路人，是初心，更是使命”
谈及未来发展，他表示，今后的时间，仍然会坚持研究酶的机理与应用，包含对环境保护有关的塑料降解酶，以及和粮食安全有关的霉菌毒素降解酶的研究及应用。
他进一步说道，“从目前全世界共同努力的研究进展来看，耐高温、高活性适合用于直接酶降解塑料的酶；在常温下，高活性应用于微生物降解塑料所需的酶，将有可能很快研发出来，也极有可能实现低价、大规模生产。而生物降解 PET 塑料的稳定性工艺，预计在几年内就能实现。”
郭瑞庭表示，一辈子很短，能始终坚持自己喜欢的科研方向，是初心，更是使命。他认为，除了做科研，为学生们传授专业知识，使他们对科研感兴趣、有创造性思维、将来做对国家社会有贡献的人。“做好科研的‘引路人’，同样具有非凡的意义。”