新型PET水解酶分子作用机理的研究

The application of PET plastics has brought great convenience to human life. However, non-degradability, which was considered to be the great advantage of plastics, contributes to a major cause of environmental problem “White Pollution”. Until recently, a novel PET hydrolase (PETase) which exhibits higher activity against PET than any other existing enzyme was discovered. We determined high-resolution apo- and substrate-analog complex- crystal structures of the novel PETase, and identified key residues requires for catalysis by structural analysis, along with mutagenesis and enzymatic assays. In order to further understand the effects of the unique structural features on enzyme activity，we will carry out more mutagenesis on key amino acid residues around the substrate bound tunnel，and will determine crystal structures of the important mutants in complex with ligands. The purpose of this study is to clarify the molecular mechanism and key effects of some unique structural features on PETase, which should provide important information for the guidance of further engineering and applications of PETase in bioconversion of plastics.

PET塑料制品的出现给人类的生活带来了很大的便利，但因为极难自然降解，其废弃物引起的白色污染已严重威胁全球生态系统。新近发现的一种新型PET水解酶（PETase）可以直接降解塑料PET，其水解PET的活性远高于其他类似酶。申请人前期已经解析出PETase的复合体结构，初步发现了与其降解PET活性有关的重要结构特点。为了深入了解这些重要结构对酶活产生影响的作用机理，本项目将对PETase和其他类似酶相关位置的关键氨基酸残基进行突变实验研究，利用X光晶体学技术，尝试解析其中活性变化较大的突变体和底物类似物的复合体结构。旨在揭示PETase这些重要结构对底物结合和酶活性产生影响的深层原因，深入探讨该酶降解PET的分子作用机理，丰富对此类水解酶功能机制的认知，为日后对PETase的定向改造和实际应用奠定科学基础。

PET塑料制品的出现给人类的生活带来了很大的便利，但因为极难自然降解，其废弃物引起的白色污染已严重威胁全球生态系统。新近发现的一种新型PET水解酶（PETase）可以直接降解塑料PET，其水解PET的活性远高于其他类似酶。申请人前期已经解析出PETase的复合体结构，初步发现了与其降解PET活性有关的重要结构特点。为了深入了解这些重要结构对酶活产生影响的作用机理，本项目将对PETase和其类似的角质酶相关位置的关键氨基酸残基进行突变实验研究，破解的两者之间大小二元体的结构密码，阐明它们的催化作用机理。通过比较二者色氨酸附近的氨基酸结构，发现在角质酶BurPL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。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。研究发现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。由此可以推论，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，将之转变成了一个有效的PET降解酶，用以分解PET作为能量的来源。导入小二元体是创制更多性质优良的PET降解酶的一个有效的策略。未来可以利用这个方法获得更多新型的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重要价值。