麻省理工学院化学家揭示了可产生可生物降解塑料的细菌酶

这里如图所示是PHA酶的结构图，细菌用于产生类似于塑料的长聚合物链。麻省理工学院化学家们已经确定了聚合物构建块进入和成品链的开口。

MIT的研究人员已经确定了可以产生可生物降解的塑料的细菌酶的结构，这是一个可以帮助化学工程师调整酶以使其更具工业上有用的进步。

酶产生长聚合物链，其可以形成硬质或软塑料，这取决于进入它们的原料。学习更多关于酶的结构可以帮助工程师控制聚合物的组成和尺寸，这是对这些塑料的商业生产的可能一步，这与由石油产品形成的传统塑料不同，应该是可生物降解的。

“我希望这种结构能够帮助人们思考一种方式，即我们可以从大自然中使用这种知识来为我们的星球做更好的事情，”化学与生物学和霍华斯医学院调查员Chatherine Drennan说。“我相信在开始工程之前，您希望对这样的酶有良好的基本理解。”

Drennan和Joanne Stubbe，Novartis of Chemistry Emeritus教授和生物学教授，是该研究的高级作者，它出现在生物化学杂志。本文的牵头作者是伊丽莎白的研究生伊丽莎白。

难以捉摸的结构

酶聚羟基烷烷（PHA）合成酶在几乎所有细菌中发现，它使用它来产生当食物稀缺时储存碳的大型聚合物。Bacterium Cupriavidus Necator可以作为这些聚合物存储高达85％的干重。

酶根据原料生产不同类型的聚合物，通常是称为羟烷基 - 辅酶A的分子的许多变体中的一种或多种，​​其中烷基是指有助于确定聚合物性质的可变化学基团。这些材料中的一些形成了硬质塑料，而其他材料更柔软，更柔韧或具有更类似于橡胶的弹性性质。

PHA Synthase对化学家和化学工程师来说非常兴趣，因为它可以以精确控制的方式串联最多30,000个亚基或单体。

“在这种情况下可以做些什么，许多其他人都是制造巨大的聚合物，比人类可以制作，”斯巴伯说。“它们具有均匀的分子量，这使得这些聚合物的性质如此明显。”

Drennan，Stubbe和其他化学家一直在追求这种酶的结构多年，但直到现在，由于难以使蛋白质结晶，因此它已经证实顽固地难以捉摸。结晶是进行X射线晶体学的必要步骤，其揭示了蛋白质的原子和分子结构。

两位前研究生，Marco Jost和Yifeng Wei也是本文的共同作者，在侧面项目中致力于结晶，并在离开麻省理工学院之前成功。

一旦研究人员晶体，就会收集和分析所得的晶体数据以提出该结构。该分析显示，PHA合成酶由两个相同的亚基组成，形成所谓的二聚体。每个亚单位具有活动位点，其中发生聚合，从而消除了活性位点位于二聚体界面处的前面的提议。

分析还显示酶有两个开口 - 原料进入的一个，允许种植聚合物链离开的另一个开口。

“辅酶是基材的一部分必须回来，因为你必须放入另一个单体，”斯巴伯说。“我认为有很多体操，我认为这令人着迷。”

入口通道的位置显然是由高度保守的氨基酸界定的间隙孔，即随着酶的发展仍然存在的氨基酸。出口频道更难以识别，因为它是一个更小的开放，但研究人员能够部分地找到它，因为它也被保守的氨基酸包围。

“保守的残留物在出口渠道周围形成一个弧形网络，”韦滕斯说。“它们几乎完全围绕了渠道的非常狭窄的部分，我们认为它们有助于确保蛋白质，因为聚合物开始推动其通过该管。”

新框架

Drennan的实验室现在计划尝试解决酶的结构，而它绑定到基板和产品，这应该产生更多的信息，以了解它是如何运作的。

“这是学习这些系统的新时代的开始，我们现在拥有这一框架，并随着我们所做的每一个实验，我们将要学习更多，”Drennan说。

一些生物技术公司已经使用PHA合成酶和制造聚合物所需的其他酶进行愈合，并且一家公司正在使用它来制造用于医疗用途的聚合物。虽然对于大部分来说，该方法在大多数情况下，该过程不足以经济上具有来自石油的低成本常规塑料的经济竞争力，但该技术使得能够生产独特的PHA聚合物组合物，可用于专业聚合物添加剂，乳胶和医疗应用。

该研究所产生的新结构信息将对成本影响很小，但可能会使其他新材料和应用的可能性迅速，首席执行官10 Bioscience / Metabolix的首席科学官员和副总裁克里斯蒂·斯内尔（Chiness10 Bioscience / Metabolix）的副总裁最近出售PHA Biopolymer技术到另一家公司。

“这种酶的结构和机制已有20多年的大问题，并找到该结构可以提供有助于研究人员制造具有独特性质的更好的聚合物的洞察力，”斯内尔说。

出版物：Elizabeth C. Wittenborn等，“I类催化结构域的催化结构域的结构来自Cupriavidus Necator”，JBC，2016; DOI：10.1074 / jbc.m116.756833

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