2019-04-12 19:18:01
研究人员将塑料废物的分子剪刀描述为特征

来自Greifswald大学和Helmholtz-Zentrum-Berlin(HZB)的研究小组在BESSY II中解决了MHETase酶的分子结构。 MHETase是在细菌中发现的,与第二种酶PETase一起,能够将广泛使用的塑料PET分解成其基本构件。这种3D结构已经允许研究人员生产具有优化活性的MHETase变体,以便与PETase一起使用,以实现PET的可持续再循环。

塑料非常通用,几乎永久耐用。但这也是一个问题,因为在仅仅约100年的塑料生产之后,塑料颗粒现在随处可见 - 地下水,海洋,空气和食物链中。每年生产约5000万吨工业上重要的聚合物PET。目前只有一小部分塑料通过昂贵且耗能的工艺进行回收,这些工艺产生降级产品或依赖于添加“新鲜”原油。

2016年,一群日本研究人员发现了一种在PET上生长并部分以其为食的细菌。他们发现这种细菌含有两种特殊的酶,即PETase和MHETase,可以消化PET塑料聚合物。 PETase将塑料分解成较小的PET结构单元,主要是MHET,MHETase将其分解为PET,对苯二甲酸和乙二醇的两种基本前体结构单元。这两种组分对于合成新PET而言都是有价值的,而不需要添加原油来实现封闭的可持续生产和回收循环。

在2018年4月,PETase的结构最终由几个研究小组独立解决。钻石光源也参与了实验。但是,PETase只是解决方案的一部分。表征第二种酶MHETase的结构同样重要。

“MHETase比PET酶大得多,甚至更复杂。单个MHETase分子由600个氨基酸或大约4000个原子组成.MHETase的表面大约是PETase表面的两倍,因此具有更大的优化潜力对于分解PET,“来自柏林Helmholtz-Zentrum和柏林自由大学的生物化学家和结构生物学家Gert Weber博士解释道。

在格赖夫斯瓦尔德大学临时教授期间,韦伯联系了生物化学研究所的生物技术专家Uwe Bornscheuer教授,他已经参与了塑料降解酶。他们共同开发了解决MHETase结构的想法,然后利用这种洞察力优化酶用于PET回收中的应用。为此,他们首先必须从细菌细胞中提取酶并净化它。在这次合作中,团队成功地在BESSY II获得了MHETase的复杂三维结构,BESSY II是柏林HZB的同步加速器源。

“为了了解MHETase如何与PET结合并分解它,你需要一块与MHETase结合但不会被它裂解的塑料碎片,”Weber解释道。 Weber在Greifswald的先前研究团队成员Gottfried Palm博士的成员切割了一个PET瓶,对PET聚合物进行了化学分解,并从中合成了一个与MHETase结合但不再被它裂解的小化学片段。从这个“封闭的”MHETase中,生长了微小的晶体,用于在HZB进行结构研究。 “结构调查使我们能够在工作中虚拟地观察MHETase,并制定如何优化这种酶的策略,”Weber解释道。

“由于采用了联合研究小组的形式,我们有能力在高度需要的BESSY II MX光束线上提供光束时间访问,以便随时快速进行测量,”负责BESSY II MX光束线的Manfred Weiss博士说。 MHETase的三维结构实际上显示出一些特殊的特征:诸如MHETase的酶在化学反应发生之前首先与其靶分子结合。对于分子的分解,你需要一种量身定制的酶:“我们现在可以准确地定位MHET分子与MHETase对接的位置,以及MHET如何分裂成两个对苯二甲酸和乙二醇的结构单元,”Weber说。

然而,PETase和MHETase都不是特别有效。 “几十年来,塑料只能在这种规模上存在 - 即使细菌具有几代人的快速演替和快速适应性,也无法在如此短的时间内通过试验和错误的演化过程开发出完美的解决方案,”Weber解释道。 。 “由于澄清了这种非常重要的酶的结构,我们现在也能够计划,生产和生物化学表征显示出比天然MHET酶显着更高活性的变体,甚至对PET降解的另一种中间产物BHET, “Uwe Bornscheuer补充道。

将来,Uwe Bornscheuer将致力于系统地优化酶PETase和MHETase的任务 -  PET的分解。 Gert Weber计划通过对生物结构的进一步研究来补充这些研究,以便系统地开发用于环境应用的塑料消化酶。访问测量站和HZB的IT基础设施是必不可少的。

例如,在封闭的生物技术循环中生产这些酶可以是将PET塑料和其他聚合物真正分解为其基本构件的方法。这也是理想回收和塑料废物问题的长期解决方案的关键:塑料的生产将是一个封闭的循环,不再依赖原油。

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