100%降解中国科学院团队基于AI计算策略设计新水解酶

发表时间: 2024-03-10 作者: 行业新闻

  作为生活中最常见的一种树脂,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)凭借在物理机械性能、电绝缘性、耐疲劳性等方面的优势,大范围的使用在生产塑料瓶、包装、纤维等,慢慢的变成了全球使用最多的塑料材料之一。

  随着需求的攀升和产量的增长,PET 材料的大量使用也产生了很多不利影响,表现较为突出的是“白色污染”问题。PET 塑料制品在自然环境中的寿命极长,难以降解,大量的 PET 废弃物散布于环境中对全球生态导致非常严重污染,威胁人类健康。

  统计多个方面数据显示,全球每年的塑料总产量达 3 亿吨以上,而最终被回收再利用的塑料不足 10%,如何对 PET 废弃物进行高效地降解回收实现塑料循环,慢慢的变成了当前业界的研究热点。

  近期,中国科学院微生物研究所团队利用人工智能辅助 PET 水解酶的重新设计,在 8 小时内实现了高底物负载量 PET 废弃物的几乎完全解聚,为推动工业级废弃 PET 塑料的完全解聚提供了新策略。

  针对 PET 废弃物污染,业界传统的处理方法最重要的包含物理回收和化学回收,但这一些方法大都存在能耗高、成本高、周期长以及会造成二次污染等坏因,相较之下,生物降解是一种更好的选择,比如酶降解。

  酶降解是生物降解的一种重要方法,其主要基于某一些微生物产生的能够降解 PET 的水解酶,酶通过活性位点与 PET 结合,并在活性位点的催化作用下降解 PET,将其分解为小分子,而且降解过程中通常不会产生污染物,是更具前景、绿色环保的 PET 降解方式。当前,使用酶对 PET 进行降解已成为塑料循环经济中的重要方法之一。

  近 20 年来,业界围绕 PET 水解酶的发现开展了大量研究,试图能更高效、快速地降解 PET,实现在高固体负载(>150 g/kg)下实现高降解回收率(>90%),进而将其推进到工业级别的规模应用。然而,当前的很多研究在固体负载量较低(<30 g/kg)时具有较高的降解率,而在固体负载量增加时 PET 降解率一下子就下降,即出现“固体效应”。

  近些年的一个突破性研究进展发生在 2020 年,彼时,来自法国的一个研究团队基于工程化 LCC 变体酶实现了工业级高固体负载(200 g/kg)条件下 PET 塑料高达90%的降解,但是,较高反应温度导致物理老化,仍然残留有 10% 的 PET 进一步形成了不可降解的高度结晶废弃物,阻碍了其在实际工业场景中的应用。

  据美国国家 PET 容器资源协会发布的一份报告数据显示,美国消费后回收的 PET 塑料瓶达 80 万吨,如果采用这种生物降解方式,那么每年仍会产生 8 万吨的不可生物降解 PET 废弃物,显然,这不利于 PET 塑料循环经济的发展,因此还要进一步提升降解效率才能显示出循环经济效益。

  得益于近年来AI在蛋白质设计方面取得的进展,吴边课题组探索基于AI的计算策略来设计新型酶。根据 PET 结晶动力学分析显示,降低反应温度能大幅抑制物理老化,但这却又会拉低了嗜热 PET 水解酶的催化效率。

  在这项研究中,为了设计出具有平衡耐热性和高效水解能力的新型 PET 水解酶,吴边和团队开发了一种结合蛋白质语言模型和力场算法的新策略,通过对来源于细菌 HR29 的水解酶 BhrPETase 进行设计改造,得到一种新型变体酶 TurboPETase。

  随后,他们对这种重新设计的变体酶进行了试验验证,结果发现该酶在高底物负载量(200 g/kg)PET 废弃物的条件下,在 8 小时内实现了几乎完全降解,其降解效率在不同的温度(50°C - 65°C)条件下超越了此前国际已报道的多种类型的高效 PET 水解酶。

  机制方面,他们通过动力学和结构解析发现,水解性能的提升主要源于其更灵活的“PET 结合槽”。他们在论文中指出,改善聚合物在特定攻击位点的相互作用特别的重要,这些发现加深了对异质催化过程的理解,同时也为进一步促进其他聚酯类生物降解的工业化应用提供了新思路。

  总的来说,这项研究通过结合蛋白质语言模型和基于力场算法设计出新型 PET 水解酶,兼具平衡耐热性和高效水解能力,解决此前残留不可生物降解 PET 废弃物的挑战,在工业级 PET 塑料循环利用中展现出较大潜力。

  这篇论文的共同通讯作者吴边是中国科学院微生物研究所研究员、博士生导师,他的研究方向主要围绕生物催化相关的元件挖掘、机理解析、酶工程改造、合成设计等。此前,他和团队曾解析出酶催化碳-氮成键反应的详细机理,并通过人工改造将其应用于生物大/小分子的精准合成与定向修饰;还曾将蛋白质计算机设计的前沿方法引入酶工程的研究中,促进了复杂大分子结构设计的发展,并构建出一系列化学品的生物合成途径,目前已有多肽药物酶法拼装、β-氨基酸生物合成、氮杂环类药物中间体顺次发酵等多项技术成功实现产业化应用。