理性分子设计，提高Ideonella sakaiensis菌PET降解酶的热稳定性

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文章背景简介

BACKGROUND INTRODUCTION

聚对苯二甲酸乙二酯（PET） 由于其耐久性、价格低廉和使用方便等优点，是工业中应用最广泛的合成塑料之一。然而，废弃的塑料废物是造成环境问题的主要原因之一，会污染海洋和土壤中的环境，并且这些塑料经过风化分解后会产生小于 5 mm 的微塑料颗粒，这些细小颗粒会对环境问题造成更大的影响。而且，这些微塑料被海洋生物摄入后会在它们的体内积累，最终通过食物链转移到人类的体内。因此，塑料废弃物不仅是造成环境污染的主要因素之一，而且对人类健康有着严重影响。为了解决或减轻这些环境问题，人们开发了一些对塑料废物进行化学和物理处理的技术；然而，这些技术带来的副产品也依然会对环境污染有一定的影响。因此，研究者试图开发使用角质酶和脂肪酶的生物方法来降解塑料；然而，这些酶对 PET 降解能力较低，并且需要相对较高的温度（约 70℃）才能实现其酶的活性。

最近，科学家发现了一种全新的微生物细菌，将可以解决塑料带来的环境问题，这种细菌名叫Ideonella sakaiensis，能够有效的利用PET作为碳源，并且可以利用两种酶（PETase 和 MHETase）将PET聚合物降解成对苯二甲酸单羟乙基的单体（MHET）。更重要的是，和来源于其它细菌的PET降解酶相比，来源于Ideonella sakaiensis的IsPET降解酶不仅具有比迄今为止已知能够降解 PET 的任何其他酶高得多的降解活性，而且还在中等温度下发挥作用，对环境具有很好的适用性。

2019年3月11日，韩国庆北大学生命科学院的Hyeoncheol Francis Son等人在《ACS Catalysis》杂志（IF＝12．221，化学一区）发表了题目为“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．蛋白质制备

2．熔化温度（Tm）测量

3．PET薄膜降解

4．蛋白质热灭活实验

5．HPLC分析

6．结晶、数据收集和结构确定

7．PET薄膜结晶度的测量

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文章主要内容摘要

ABSTRACT

聚对苯二甲酸乙二酯（PET）的广泛使用引起了各种环境和健康问题，使用生物酶法降解PET塑料是一个很有前途的解决方案。尽管来自Ideonalla sakaiensis的PET降解酶 （IsPETase） 是迄今为止在温和条件下PET 降解活性最高 的PET 降解酶，但其热稳定性较低限制了其应用。为了提高 PET 降解活性，本文根据IsPETase的蛋白结构信息，利用IsPET降解酶的突变体进行了热稳定性筛选，开发了一种合理的蛋白质工程策略。设计了具有稳定的β6－β7 连接区域和扩展的亚位点IIc的IsPETaseS121E／D186H／R280A 突变体。与IsPET降解酶的野生型相比，IsPETaseS121E／D186H／R280A突变体 的Tm 值提高了8．81℃，PET的降解活性增强了14倍。通过突变体的结构测定也进一步验证了设计的蛋白改造技术是有效的，并且通过热灭活实验进一步证实了其具有高的热稳定性。

本文所提出的蛋白改造技术和开发的突变体为实现在温和条件下能够将 PET 完全生物降解提供了一个新思路。

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