塑料污染帶來(lái)了生態(tài)挑戰(zhàn)，酶降解為聚酯廢物回收提供了一種潛在的綠色和可持續(xù)的途徑。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Poly ethylene terephthalate，PET)占全球固體廢物的12%，理論上可以通過(guò)快速酶解然后再聚合或轉(zhuǎn)化/增值為其他產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)PET的碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)。然而，PET水解酶的應(yīng)用受阻于它們?cè)趐H和溫度范圍內(nèi)缺乏穩(wěn)定性、反應(yīng)速度慢以及無(wú)法直接使用未經(jīng)處理的消費(fèi)后塑料。

▲第一作者：Hongyuan Lu

通訊作者：Hal S. Alper

通訊單位：美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校

DOI：https:// doi.org/10.1038/s41586-022-04599-z

來(lái)自德克薩斯大學(xué)的Hal S. Alper課題組使用基于結(jié)構(gòu)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)設(shè)計(jì)穩(wěn)定且有活性的PET水解酶，文章發(fā)表于近期的nature，題目為“Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization”。作者認(rèn)為普通的蛋白質(zhì)工程的方法不能權(quán)衡到整體穩(wěn)定性和活性之間的進(jìn)化。為此，作者使用三維自監(jiān)督卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network，CNN) MutCompute (https://mutcompute.com)來(lái)識(shí)別穩(wěn)定的突變。該算法在訓(xùn)練來(lái)自蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的19,000 多個(gè)序列平衡的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)氨基酸的局部化學(xué)微環(huán)境，并且可以根據(jù)局部微環(huán)境預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)中野生型（wildtype，WT）氨基酸需要優(yōu)化的位置。

作者使用MutCompute執(zhí)行計(jì)算機(jī)綜合誘變掃描，獲得了晶體結(jié)構(gòu)WT-PETase（PDB 5XJH）和ThermoPETase（PDB 6IJ6）中每個(gè)位置的所有20個(gè)氨基酸的結(jié)構(gòu)擬合的離散概率分布。將預(yù)測(cè)的分布呈現(xiàn)到蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)上，以識(shí)別WT氨基酸殘基擬合不如潛在的突變位置。然后通過(guò)預(yù)測(cè)概率（擬合倍數(shù)變化）對(duì)預(yù)測(cè)進(jìn)行排序，采用逐步組合策略，共預(yù)測(cè)產(chǎn)生了159個(gè)單點(diǎn)或多點(diǎn)突變。進(jìn)一步通過(guò)酯酶活性和塑料降解速率測(cè)量表征催化活性的提高和通過(guò)蛋白質(zhì)Tm的測(cè)量表征熱穩(wěn)定性的提高的突變體。

作者的突變體和支架的組合體FAST-PETase（functional active stable and tolerant PETase）與野生型PETase相比包含五個(gè)突變（來(lái)自預(yù)測(cè)的N233K/R224Q/S121E和來(lái)自支架的D186H/R280A），相對(duì)于野生型和工程替代品在溫度30-50°C和一系列pH值范圍內(nèi)顯示出優(yōu)異的PET水解活性。作者證明，F(xiàn)AST-PETase幾乎都可以在1周內(nèi)將51種不同熱成型的未經(jīng)處理的消費(fèi)后PET完全降解。FAST-PETase還可以在50?oC下解聚商用水瓶的未經(jīng)處理的無(wú)定形部分和整個(gè)熱預(yù)處理水瓶。

最后，作者通過(guò)使用FAST-PETase并從回收的單體中重新合成PET，展示了一個(gè)PET回收的閉環(huán)過(guò)程。總的來(lái)說(shuō)，作者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在工業(yè)規(guī)模上進(jìn)行酶塑料回收的可行途徑。

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