酶，开启可降解塑料之门
材料牛注：自塑料产品走进我们的生活以来，“白色污染”就开始无处不在。使用可降解塑料是一个绝佳的解决方案，而酶在其中扮演着重要的角色。
MIT的化学家们正在研究调整一种酶结构。它能够催化可降解塑料的合成，对于推广商业化，保护地球环境有着重要的意义。在酶的催化下，首先形成一条高分子长链，然后根据起始原料的不同形成硬性或者软性塑料。了解酶的结构能够进一步控制塑料成分和尺寸，这是将其商业化的必经之路。
教授Catherine Drennan是MIT化学生物方向的专家，他说：“我希望我们能够从大自然中获得启示，并以此来改善我们的生存家园。在设计和改造酶之前，我们一定要充分地了解它的结构。”
此项成果发表在期刊Journal of Biological Chemistry上，资深学者Drennan和JoAnne Stubbe是其中的两位作者，第一作者是名为Elizabeth Wittenborn的研究生。
复杂的结构
聚羟基烷酯（PHA）合成酶是一种非常普通的酶，它存在于大多数细菌的内部。这种酶能够合成一种特殊的聚合物，用来在食物缺乏的状态下存储碳元素。比如钩虫贪铜菌能够通过这种酶存储相当于自身干重85%的“食物”。
采用不同的起始原料，就会得到不同类型的塑料，而这些起始原料通常是烷烃基辅酶A的一种或几种衍生物（烷烃是一种化学基团，它能够决定聚合物的性质）。制得的塑料类型也多种多样，有硬性塑料，软性塑料，以及类似橡胶的弹性塑料。
化学家和化学工程师们对PHA合成酶有着极大的兴趣，因为它能可控地将3000个单体精确地连结起来。Stubbe说：“在这种情况下，自然界能够合成出超大的聚合物，比人类合成的任何一种聚合物都要大，它们有着同样的分子重量，如此独特新奇。”
由于这种蛋白质很难结晶，所以虽然Drennan, Stubbe以及众多科学家已经研究这种酶结构很久了，但是其结构仍然复杂难懂。我们知道，若想通过XRD研究蛋白质的分子原子结构，结晶的步骤必不可少。
Marco Jost and Yifeng Wei也是该成果的合作作者，他们是MIT的历届研究生。毕业之前他们研究了关于结晶的课题，并在毕业之前成功完成。
一旦有了晶体结构数据，一切迎刃而解。Wittenborn分析了这些晶体学数据，想出了这种酶结构。分析显示，PHA合成酶含有两个完全一样的单元结构，即形成一个二聚体。每一个单元都有一个缩聚反应的活性位点，因此推翻了之前的推测：活性位点处于二聚物的表面。
分析还指出，这种酶有两个端口，一个是起始原料的进入端，一个是聚合物长链的结束端。
Stubbe说：“辅酶A作为底物，需及时退出以引入单体。这个反应包含了许多运动过程，十分有趣。”
进入通道的位置十分明显，此处有一个大的孔洞，周围有保守氨基酸。退出通道的孔洞很小，因此难以发现。但它的周围也环绕着保守氨基酸，因此最终也被找到。
Wittenborn说：“退出通道处的保守氨基酸等形成了一个弧形的网状结构，它们几乎将狭窄的通道包围起来。我们推测它在聚合物通过管道时，起到了保护蛋白质的作用。”
新框架
酶的结构对于基底和产物至关重要，因此Drennan的实验室计划研究PHA酶结构，获得更多更重要的信息，从而研究它的工作机理。Drennan说：“这是学习这些酶系统的开端，我们做的每一个实验都会加深我们对它的理解。”
一些生物科技公司开始使用PHA合成酶等其它酶类制备塑料制品，有一家公司正在用其生产医疗用品。尽管在很大程度上与传统的塑料制品相比，这样做是不合算的，但是用这种酶合成的聚合物可以用于特殊的领域，如专用聚合物添加剂，乳胶以及一些医学应用。
虽然了解酶的结构信息对于降低成本作用不大，但它能够为开发新材料和新用途提供可能。Kristi Snell是一家有名的生物科技公司的副理事长，他说：“酶的结构和催化机理能为研究人员开发新材料提供新的方向。”
原文链接：Enzyme tweaking leads to biodegradable plastics.
本文由编辑部杨树提供素材，王思迪编译，点我加入材料人编辑部。
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