單原子改變提升酵素性能以應對塑膠污染問題

澳洲國立大學（ANU）的研究人員發現，僅需在一種塑膠分解酵素中更換一個原子，即可顯著提升其能力。這一調整使該酵素能夠以近乎兩倍的速度分解聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），而不會因高溫而熔化。這項微小的改動可能對於面對垃圾危機的地球來說，具有重大的意義。研究顯示，將一種稱為阿扎色氨酸（azatryptophans）的合成非標準氨基酸添加到塑膠降解酵素（PETases）中，可以打破催化活性與熱穩定性之間的權衡。

研究的首席作者艾爾威·阿卜杜卡德（Elwy Abdelkader）博士表示：「酵素可以不斷進行工程改造以改善其性能，但最終會達到一個點，即使其活性增強，也可能會降低穩定性，反之亦然。我們所展示的是，可以通過非常精確的改變——僅僅是改變一個原子——來突破這一限制，同時在很大程度上保持酵素的結構和穩定性。」

生物工程師在應對塑膠污染的過程中，長期以來面臨著優化 PETase 酵素的挑戰。提升酵素的塑膠降解速度通常需要進行大量的基因修改，這會妨礙其結構完整性。僅使用 20 種自然氨基酸，使酵素更快分解塑膠幾乎總會導致其在高溫下變形。高活性的變體在熱壓力下迅速降解，而穩定的變體則運作過於緩慢，無法在商業上取得可行性。ANU 團隊通過將焦點縮小至絕對極限：「一個原子」來克服這一問題。

新工具PETra加速測試

特別是，標準氨基酸色氨酸被一種名為阿扎色氨酸的合成對應物取代。在外觀和化學性質上，兩者幾乎相同，唯有合成版本用一個氮原子取代了一對碳氫原子。這一原子上的微小變化產生了巨大的影響。升級後的酵素在保持熱穩定性的同時，將 PET 塑膠的分解時間縮短了一半。

「基於團隊在將非標準氨基酸特定地引入蛋白質方面的經驗，我們可以引入微小的化學變化，使我們能夠以前所未有的精確度調整蛋白質。」共同作者霍伯教授（Thomas Huber）表示。為了驗證他們的原子手術是否有效，團隊還需要重新設計測試方法。測量塑膠分解的標準檢測方法極其緩慢，因為固體 PET 塑膠抵抗溶解，測試時間往往需要數天。為了消除這一障礙，ANU 的研究團隊設計了一種名為 PETra 的螢光測試工具。

該工具依賴一種在反應過程中會發光的可溶性液體替代品，使測量時間縮短至幾分鐘，並能迅速評估大量酵素變體。

單原子改變的潛在應用

每年全球產生超過 3.5 億噸的 PET 塑膠垃圾。然而，傳統的處理方法如填埋和焚燒會引發嚴重的環境污染，同時浪費寶貴資源。這項新技術有可能幫助減少這一問題。未來的應用可能遠不止於回收箱。自然界僅限於 20 種標準氨基酸，但科學家如今可以通過擴展這一工具包，加入合成建構塊，以外科手術般的精確度調整蛋白質。這種單原子策略可能很快被用於設計超高效的酵素，應用於綠色製造、先進生物燃料及目標醫療治療。

該研究已發表在《德國應用化學國際版》（Angewandte Chemie International Edition）期刊上。

單原子改變對塑膠降解的影響

這項研究展示了如何透過微小的原子改變來提升酵素的性能，特別是在應對塑膠污染方面。傳統的塑膠降解方法常常面臨結構穩定性與活性之間的權衡，而這項新技術則突破了這一限制，使得酵素在保持穩定性的同時，能夠有效加速塑膠的分解。隨著全球塑膠垃圾問題日益嚴重，這項技術的潛在應用不僅限於回收，還可能推動綠色製造和生物燃料的發展，對環境保護具有重要意義。