聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是目前全球应用最广泛的合成聚酯，被广泛用于饮料、食品包装材料以及纺织纤维。然而，其废弃物不可自然降解，导致了较严重的环境污染。利用环境友好的生物法将废弃塑料降解为较低分子量单体，进行循环利用，能显著促进节能减排，助力碳中和目标的实现。

中国科学院天津工业生物技术研究所结构生物学平台实验室和德国格拉夫斯瓦尔德大学合作，对来源于宏基因组的两种塑料水解酶（PES-H1和PES-H2）进行了研究，解析了其高分辨结构以及与PET类似物的复合物结构。并通过结构分析和分子动力学模拟探究了产抑制和多重底物结合模式，为进一步推进PET的绿色降解提供了重要支撑。

目前，PDB数据库中已有超过70种PET降解酶的晶体结构，但大多数是没有底物结合的apo结构。为研究PET水解的催化机理，研究团队分别解析了PES-H1与柠檬酸盐(PDB：7E30)以及与底物类似物MHETA的(PDB：7W6C，7W6O和7W6Q)复合体结构，以更好地理解结合PET底物时蛋白质结构的变化。此外，还解析了PES-H2与聚乙二醇(PEG)6000(PDB：7E31)和与BHET(PDB：7W66)复合体结构。根据PES-H1(结合MHETA)和PES-H2(结合BHET)的结构，确定了6种配体结合模式，揭示了多种非催化中间体结合模式，以此为基础，对潜在的热点基因和底物结合区的关键位点进行了探究。结果表明，PES-H1-R204C/S250C变体的Tm比野生型酶提高了6°C以上；在72°C下，PES-H1-L92F/Q94Y变体不但提高了对非晶态PET膜和预处理的真实PET废物的水解活性，而且水解低结晶度PET的效率是此前文献报道活性最高的LCC-ICCG的两倍多，这一工程突变体有望成为工业塑料回收过程中的降解酶。

上述研究得到了国家重点研发计划、天津市合成生物技术创新能力提升行动、中国科学院青年创新促进协会和国家留学基金管理委员会的资助。天津工业生物所刘卫东研究员和德国格拉夫斯瓦尔德大学韦韧以及Uwe T. Bornscheuer教授为共同通讯作者。

文章链接

PES-H1和PES-H2的蛋白质结构

PES-H1突变体对多种PET材料的水解活性