第一作者：Christopher DelRe
通訊作者：Ting Xu
通訊單位：加州大學(xué)伯克利分校
研究難點(diǎn)
成功將酶和生物機(jī)械與聚合物結(jié)合在一起，可以在塑料的制造、利用和處置過(guò)程中實(shí)現(xiàn)按需改性和降解，其中的關(guān)鍵是需要在具有大分子基質(zhì)的固體基質(zhì)中進(jìn)行可控的生物催化。包埋酶微粒可以加速聚酯降解，但同時(shí)也損害宿主的性能，并無(wú)意中加速微塑料的形成與部分聚合物降解。
研究?jī)?nèi)容
加州大學(xué)伯克利分校的Ting Xu教授等發(fā)現(xiàn)通過(guò)納米技術(shù)包裹生物酶，實(shí)現(xiàn)了半結(jié)晶聚酯可以通過(guò)鏈端介導(dǎo)漸進(jìn)解聚降解，研究發(fā)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程類似于聚腺苷酸誘導(dǎo)的信使RNA衰變。該研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了固態(tài)酶學(xué)在聚合物降解領(lǐng)域深入研究的必要性，用于解決化學(xué)休眠底物，同時(shí)不會(huì)造成二次環(huán)境污染或生物安全等問(wèn)題。
本文要點(diǎn)
1、通過(guò)工程酶-保護(hù)劑-聚合物復(fù)合物來(lái)實(shí)現(xiàn)具有表面暴露活性位點(diǎn)的酶的加工。聚己內(nèi)酯和聚乳酸在含有少于2%的酶的體系中可以實(shí)現(xiàn)幾天內(nèi)解聚。
2、研究發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)土壤堆肥和家庭自來(lái)水中高達(dá)98%的聚合物可被轉(zhuǎn)化為小分子，完全消除了目前在堆肥設(shè)施中分離和填埋其產(chǎn)品的需要。
3、嵌在聚烯烴中的氧化酶在整個(gè)催化降解過(guò)程中保持其高催化活性。烴聚合物并不像聚酯聚合物那樣與酶緊密結(jié)合，同時(shí)生成的活性自由基也不能對(duì)大分子宿主進(jìn)行化學(xué)修飾。
4、該研究為酶-聚合物和酶保護(hù)劑的選擇提供了分子層面的指導(dǎo)，用以調(diào)節(jié)底物選擇性和優(yōu)化生物催化途徑。
圖1包埋酶的生物催化劑用于降解聚合物。
圖2PCL-RHP-BC-脂肪酶復(fù)合體系的表征和降解。
圖3包裹BC-脂肪酶通過(guò)鏈端介導(dǎo)的漸進(jìn)降解解聚聚酯。
圖4酶保護(hù)劑(RHPs)與酶相結(jié)合用于聚合物的程序性降解。
大自然能夠規(guī)劃復(fù)雜的過(guò)程，從而以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)范圍內(nèi)的長(zhǎng)期可持續(xù)性。其中關(guān)鍵點(diǎn)是生物元件與合成物的分子界面，以及對(duì)于基于酶的塑料改性/降解，如何以大分子作為反應(yīng)底物和宿主基質(zhì)來(lái)操縱生物催化。酶活性取決于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、底物結(jié)合和活性位點(diǎn)上的反應(yīng)活性。在半晶體聚合物(代表大多數(shù)塑料)中，由于限制性酶和聚合物基質(zhì)的流動(dòng)性降低，底物可及性可能會(huì)受到速率限制。當(dāng)聚合物具有化學(xué)不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)時(shí)，酶可以隨意結(jié)合并裂解長(zhǎng)鏈，或選擇性地結(jié)合鏈端并催化解聚。盡管隨機(jī)鏈斷裂是比較普遍的途徑，但是鏈端漸進(jìn)解聚更受歡迎，因?yàn)樗梢灾苯忧規(guī)缀跬耆貙⒕酆衔镛D(zhuǎn)化為單體。
選擇性鏈端結(jié)合在溶液生物催化中具有挑戰(zhàn)性，但當(dāng)酶在納米尺度上被限制在聚合物鏈端核心部分時(shí)，可能具有一定可行性。從熱力學(xué)上講，聚合物鏈構(gòu)象有助于熵增，從而產(chǎn)生解聚的全局驅(qū)動(dòng)力。在動(dòng)力學(xué)上，局部聚合物鏈的填充影響了節(jié)段的流動(dòng)性和底物的結(jié)合，從而引發(fā)和繼續(xù)進(jìn)行解聚。除此之外，用于分散酶的保護(hù)劑可能會(huì)競(jìng)爭(zhēng)底物結(jié)合或暫時(shí)修改活性位點(diǎn)，從而提供調(diào)節(jié)催化延遲的機(jī)會(huì)。最后，必須考慮生物催化機(jī)理和靶向塑料的類型?？s合聚合物的降解（如聚酯）可能只需要基材結(jié)合。
在本文中，加州大學(xué)伯克利分校的徐婷教授等通過(guò)納米技術(shù)將酶包裹在半結(jié)晶聚酯中，并利用酶活性位點(diǎn)和酶-保護(hù)劑相互作用的特性，證明了漸進(jìn)解聚可以作為具有擴(kuò)展底物選擇性的主要降解途徑。研究表明，微量的納米酶即擁有高效的催化活性，例如在聚己內(nèi)酯(PCL)中大約0.02 wt%脂肪酶或在聚乳酸(PLA)中大約1.5 wt%蛋白酶K幾乎可以完全將聚合物轉(zhuǎn)化為小分子。
該技術(shù)克服了目前使用的生物可降解塑料與工業(yè)堆肥操作的不兼容性，使它們成為可行的聚烯烴替代品。使用保護(hù)劑的目的是在塑料加工過(guò)程中調(diào)節(jié)生物催化活性和保持納米酶穩(wěn)定性。此外，由于含有漆酶和錳過(guò)氧化物酶等氧化酶，酶作用產(chǎn)生的活性自由基不能氧化宿主聚烯烴。
研究意義
1、納米技術(shù)包裹生物酶：生物酶一旦被納米技術(shù)操控，便可以使其在固體基質(zhì)中的行為發(fā)生翻天覆地的變化。對(duì)塑料中酶的理解不僅使大分子底物固態(tài)酶學(xué)有了新的見(jiàn)解，而且使與塑料熔體加工兼容的可編程生命周期功能塑料的制造成為可能。
2、納米酶反應(yīng)機(jī)理：調(diào)節(jié)包裹酶的生物催化可以導(dǎo)致分子控制反應(yīng)途徑、動(dòng)力學(xué)、潛伏期和高價(jià)值副產(chǎn)物的生產(chǎn)。在固態(tài)酶學(xué)中，特別是在多酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)，了解包埋酶的反應(yīng)機(jī)理如何如何促進(jìn)底物可及性是至關(guān)重要的。
參考文獻(xiàn)
DelRe, C., Jiang, Y., Kang, P. et al. Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes. Nature 592, 558–563 (2021).
DOI：10.1038/s41586-021-03408-3
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03408-3
