酶催化水解非天然聚合材料聚乳酸的过程分析和结构基础研究

聚乳酸是替代传统塑料的新型生物可降解材料，作为一种非天然存在的人工合成聚合物，在自然界中的降解具有不同于天然化合物的特殊性，其生物酶解作用是天然酶降解非天然人工化合物的典型例证。本项目在前期工作基础上，对聚乳酸的生物酶解作用进行研究，通过分析不同种类聚乳酸降解酶的催化特性、酶分子结构特点以及酶解过程中酶与底物相互作用的动态过程，阐述聚乳酸降解酶类降解非专一性底物的结构和分子进化基础，同时从底物的角度，分析决定聚乳酸可生物降解的结构基础以及材料的物理化学性质对酶解作用的影响，从而全面地阐明聚乳酸的生物酶解机理，揭示天然酶降解非天然化合物的规律。本项目的深入研究不仅有助于实现聚乳酸产品本身的可控完全降解和再生循环，而且也为人工合成新品种的可生物降解型材料，以及实现其它特殊非天然底物或产物的生物转化奠定理论基础，并为筛选和改造可降解普通塑料的微生物和酶类提供指导性信息。

聚乳酸（PLA）是由可再生资源——乳酸聚合而成的高分子聚酯，由于其优良的性能和环境效益近年来成为关注的焦点，但其生物降解的研究相对滞后，作为非天然人工合成材料，其能够被天然酶降解的原因一直未得到解释。本项目旨在从酶和材料两方面对PLA的降解机理进行全面研究，探讨非天然化合物能够被天然酶降解的机制。项目取得的主要结果如下：（1）通过分析不同种类聚乳酸降解酶的催化特性、酶的结构特点，阐明了在化学键水平上，降解酶通过使酯键发生断裂而使PLA发生降解，PLA降解酶主要归属于蛋白酶和脂肪酶家族，最高效的属于丝氨酸蛋白酶家族，这类酶具有催化三联体的保守结构，以其家族共有的催化机制对PLA进行降解；广阔的底物结合口袋和对底物口袋进行调节的Loop区使酶具有了广底物特异性，因而能够与PLA这种天然蛋白质的类似物“错误”识别结合，并进而发生高效的催化降解作用。（2）建立了液质联用结合GPC测定化合物降解过程中数均分子量变化来对降解产物进行分析的方法，提出了在单链水平上，PLA降解酶对高分子的降解分为内外切模式，兼具内外切剪切模式的酶降解作用更为高效。（3）通过酶与不同性质PLA材料的相互作用研究，指出在宏观材料水平上，材料本身性质对酶解作用具有重要影响，改变材料的物理化学性质或者改性条件，可能改变材料的酶解特性；提出了降解酶对PLA薄膜的降解优先发生在无定型区，继而发生在结晶区，在结晶区降解过程中，球晶降解遵循由外至内的降解模式。（4）探索了利用Amycolatopsis orientalis菌株或其产生的解聚酶对 PLA 进行生物循环，证明了PLA生物循环利用的可行性。本研究完善了PLA的生物降解理论，并为非天然底物或产物的生物转化奠定了理论和实践基础。