克星|设计酶蛋白，打造“隐形杀手”之绿色“克星”( 二 )
打造“杀手”之“克星”
“是否可以无需经过回收处理 ， 就能就地降解微塑料呢？”长期从事人工设计酶蛋白的吴边希望能够通过人工智能（AI） ， 提供“更绿色”的解决方案 。
目前 ， 温和条件下的微塑料原位降解研究是一个新兴领域 。即利用原有或接种微生物降解或代谢微塑料 ， 将其转化为无害的末端产品过程 。在此过程中加入催化物可用于加强生物降解 。“生物催化本身具有天然的绿色性 ， 理想的生物酶可让微塑料降解事半功倍 。”吴边说 。
2016年 ， 日本京都工艺纤维大学的Kohei Oda团队报道了首个可在30℃下有效降解低结晶度PET塑料（自然降解时间需要数百年）的IsPETase降解酶 。然而 ， 该酶稳定性极差 ， 并不能满足生物降解实际应用需求 。
在此背景下 ， 吴边团队与微生物所向华团队及天津工业生物技术研究所、中国科学技术大学、南京大学以及美国加州大学的研究者合作 ， 探究是否可以通过原位处理 ， 就地降解微塑料 。他们提出了一种提出新型蛋白质稳定性计算设计策略（GRAPE） ， 基于计算机蛋白质设计对IsPETase进行了稳定性改造 ， 获得了适应性显著增强的重设计酶（DuraPETase） 。
因其在将PET转化为碳和能源方面的潜力 ， 自2016年发现以来 ， 全球有许多科研团队对其进行了改造 。“据我所知 ， DuraPETase是迄今为止开发的最好的PETase突变体 。”审稿人评论称 。
新设计的酶蛋白“消化”塑料的能力远超自然界中发现的物质 。在温和条件下 ， DuraPETase对30%结晶度PET薄膜的降解效率相较于野生型提升了300倍 。通过扫描电镜可观察到 ， 经其处理后的PET薄膜内部结构发生了显著的腐蚀变化——实现了2克/升的高浓度微塑料在温和条件下的完全降解 。
【克星|设计酶蛋白，打造“隐形杀手”之绿色“克星”】“这里的温和条件指的是工程微生物的最适温度37℃ ， 在这个条件下 ， 我们期望可以在未来通过微生物技术来降解微塑料 ， 为废水中微塑料的预处理提供新的处理思路 。”吴边说 。
AI加持 效率更高
酶蛋白可谓现代生物催化反应的“芯片” 。若用理想的生物酶为“媒” ， 生物催化可事半功倍 。此次研究中 ， DuraPETase生物酶的诞生是人工智能（AI）设计蛋白在实际应用中的又一次突破 。
“目前 ， 酶稳定性计算改造的主要瓶颈问题是无法解决有益突变的全局叠加问题 。”吴边说 。以往以蛋白质进化手段获取高性能酶是一个漫长的过程 。新研究结合了蛋白质理性设计和AI算法 ， 对计算获得的有益突变体进行系统聚类分析 ， 再结合贪婪算法进行网络迭代叠加 ， 大幅规避了负协同相互作用 ， 在较短时间内最大限度的探索出叠加路径 。
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DuraPETase的晶体结构 图片来源：崔颖璐等
“这就好比在一个团队中 ， 我们有很多优秀的人才 ， 各司其职 ， 但我们并不确定哪些人在一起合作可以发挥最大的效果 。GRAPE策略就是来解决这个问题 ， 它通过对人才进行归类 ， 并迭代组成不同的小团体 ， 可以快速地找出最适合在一起合作的团队 。”崔颖璐解释说 。
对此 ， 审稿人认为 ， 这在很大程度上提高了PET降解酶在高温条件下的稳定性和效率 。研究进一步表明 ， 这种酶在环境温度下也有显著改善的性能 ， 并对PBT和PEN等其他聚酯塑料底物也有降解作用 。
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