科技日报记者 陈 曦

农田提供给我们丰富的农作物，然而农用地膜的大量使用却给土地带来严重的“白色污染”。近年来，人们对聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）塑料和农用地膜危害的关注度明显提高，科学家们也投入精力不断研发塑料降解技术。

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近日，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室和湖北洪山实验室郭瑞庭教授团队，通过研究利用结构生物学和酶学等技术，发现角质酶可以实现高效降解多聚物PBAT，同时阐明了相关的催化机制。相关研究论文日前发表在国际期刊《自然·通讯》上。

寻找能“咀嚼”PBAT的降解酶

据介绍，PBAT是一种由己二酸、丁二醇和对苯二甲酸缩聚而成的新一代塑料。它有着和塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）类似的分子结构。因其具有优良的延展性、热稳定性和可塑性等特性，被广泛应用于农业（农用地膜）、纺织业以及食品包装等领域。

然而随着PBAT的广泛应用，PBAT废塑料的大量积累也给环境造成了很大压力。一直以来，生物酶法绿色降解塑料可能是解决塑料污染问题的最佳方案之一。然而，PBAT具有规则的晶体状的分子结构，聚合物纤维排列得非常紧密，寻找能够“咀嚼”PBAT的降解酶非常困难。

为了解决上述难题，郭瑞庭团队通过大规模筛选、寻找合适的酶，终于发现了一种可用于降解PBAT地膜的角质酶TfCut。

“这种酶可以在两天内快速将PBAT地膜分解成大碎片、小颗粒直至完全消失。”论文共同第一作者之一、湖北大学副教授杨钰介绍，他们发现其降解过程主要有BTa、ABTa和TaBTa（Ta=TPA）3种中间产物，以及终产物TPA产生。

研究团队观察这4种产物的变化，发现ABTa和TaBTa会在8小时左右达到最高值后逐渐下降至消失。48小时后，反应产物主要是TPA和BTa。PBAT降解产物有许多种可能，但是角质酶TfCut降解PBAT的过程中却只出现了这4种产物。

改造角质酶还能减少原油消耗

郭瑞庭团队前期发现将角质酶TfCut的大二元体（H224-F228）改造成小二元体（S224-I228）后，其降解PET塑料的活性明显升高。于是他们将该策略应用到PBAT的降解后发现，改造的角质酶TfCut小二元体突变（简称TfCut-DM）降解反应48小时后只剩下TPA，该结果将有利于实现PBAT降解后TPA的循环利用。

郭瑞庭指出，TPA是制备PBAT的原料之一，来自于原油，受供需关系影响，近年原油价格持续走高，PBAT生产成本大幅上涨。

如果可以将PBAT降解产物TPA，重新回收用于合成PBAT或者其他多聚物，就可以实现PBAT循环利用并减少原油的消耗，这将具有良好的产业应用价值。

此外，农用地膜在使用时都会受到太阳照射，因此该团队用紫外线照射PBAT诱发交联反应后测试发现，野生型TfCut和TfCut-DM均可以高效地降解已经发生交联反应的PBAT。这一发现为角质酶降解PBAT的应用研究打下坚实基础。

郭瑞庭说，对比发现，野生型TfCut活性区入口处较为突出。而TfCut-DM活性区入口处较为平坦，更有利于与PBAT长链的结合，这从结构上解释了TfCut-DM降解活力提高的原因。

综合上述结果，郭瑞庭团队绘制了角质酶TfCut降解PBAT的示意图：角质酶TfCut首先由催化三联体行使内切水解酶功能，生成以TPA为末端的反应中间产物。而改造后的TfCut-DM酶活更高，终产物为TPA，将更有利于实现PBAT酶水解后产物的回收循环利用。