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理性分子設(shè)計(jì),提高Ideonella sakaiensis菌PET降解酶的熱穩(wěn)定性

01

文章背景簡(jiǎn)介

BACKGROUND INTRODUCTION

聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET) 由于其耐久性、價(jià)格低廉和使用方便等優(yōu)點(diǎn),是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的合成塑料之一。然而,廢棄的塑料廢物是造成環(huán)境問(wèn)題的主要原因之一,會(huì)污染海洋和土壤中的環(huán)境,并且這些塑料經(jīng)過(guò)風(fēng)化分解后會(huì)產(chǎn)生小于 5 mm 的微塑料顆粒,這些細(xì)小顆粒會(huì)對(duì)環(huán)境問(wèn)題造成更大的影響。而且,這些微塑料被海洋生物攝入后會(huì)在它們的體內(nèi)積累,最終通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移到人類(lèi)的體內(nèi)。因此,塑料廢棄物不僅是造成環(huán)境污染的主要因素之一,而且對(duì)人類(lèi)健康有著嚴(yán)重影響。為了解決或減輕這些環(huán)境問(wèn)題,人們開(kāi)發(fā)了一些對(duì)塑料廢物進(jìn)行化學(xué)和物理處理的技術(shù);然而,這些技術(shù)帶來(lái)的副產(chǎn)品也依然會(huì)對(duì)環(huán)境污染有一定的影響。因此,研究者試圖開(kāi)發(fā)使用角質(zhì)酶和脂肪酶的生物方法來(lái)降解塑料;然而,這些酶對(duì) PET 降解能力較低,并且需要相對(duì)較高的溫度(約 70℃)才能實(shí)現(xiàn)其酶的活性。

最近,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種全新的微生物細(xì)菌,將可以解決塑料帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題,這種細(xì)菌名叫Ideonella sakaiensis,能夠有效的利用PET作為碳源,并且可以利用兩種酶(PETase 和 MHETase)將PET聚合物降解成對(duì)苯二甲酸單羥乙基的單體(MHET)。更重要的是,和來(lái)源于其它細(xì)菌的PET降解酶相比,來(lái)源于Ideonella sakaiensis的IsPET降解酶不僅具有比迄今為止已知能夠降解 PET 的任何其他酶高得多的降解活性,而且還在中等溫度下發(fā)揮作用,對(duì)環(huán)境具有很好的適用性。

2019年3月11日,韓國(guó)慶北大學(xué)生命科學(xué)院的Hyeoncheol Francis Son等人在《ACS Catalysis》雜志(IF=12.221,化學(xué)一區(qū))發(fā)表了題目為“Rational Protein Engineering of Thermo-Stable PETase from Ideonella sakaiensis for Highly Efficient PET Degradation”的文章。

02

所用到的主要方法

METHODS

1.蛋白質(zhì)制備

2.熔化溫度(Tm)測(cè)量

3.PET薄膜降解

4.蛋白質(zhì)熱滅活實(shí)驗(yàn)

5.HPLC分析

6.結(jié)晶、數(shù)據(jù)收集和結(jié)構(gòu)確定

7.PET薄膜結(jié)晶度的測(cè)量

03

文章主要內(nèi)容摘要

ABSTRACT

聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)的廣泛使用引起了各種環(huán)境和健康問(wèn)題,使用生物酶法降解PET塑料是一個(gè)很有前途的解決方案。盡管來(lái)自Ideonalla sakaiensis的PET降解酶 (IsPETase) 是迄今為止在溫和條件下PET 降解活性最高 的PET 降解酶,但其熱穩(wěn)定性較低限制了其應(yīng)用。為了提高 PET 降解活性,本文根據(jù)IsPETase的蛋白結(jié)構(gòu)信息,利用IsPET降解酶的突變體進(jìn)行了熱穩(wěn)定性篩選,開(kāi)發(fā)了一種合理的蛋白質(zhì)工程策略。設(shè)計(jì)了具有穩(wěn)定的β6-β7 連接區(qū)域和擴(kuò)展的亞位點(diǎn)IIc的IsPETaseS121E/D186H/R280A 突變體。與IsPET降解酶的野生型相比,IsPETaseS121E/D186H/R280A突變體 的Tm 值提高了8.81℃,PET的降解活性增強(qiáng)了14倍。通過(guò)突變體的結(jié)構(gòu)測(cè)定也進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的蛋白改造技術(shù)是有效的,并且通過(guò)熱滅活實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了其具有高的熱穩(wěn)定性。

本文所提出的蛋白改造技術(shù)和開(kāi)發(fā)的突變體為實(shí)現(xiàn)在溫和條件下能夠?qū)?PET 完全生物降解提供了一個(gè)新思路。

▼相關(guān)鏈接▼新型雙功能褐藻膠裂解酶構(gòu)效關(guān)系分析及在褐藻寡糖制備中的應(yīng)用

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