PETase

PETase là một loại enzyme esterase xúc tác quá trình thủy phân nhựa polyetylen terephthalat (PET) thành đơn phân mono-2-hydroxyethyl terephthalate (MHET). Phản ứng hóa học (trong đó n là số lượng đơn phân trong chuỗi polymer): (etylen terephthalat)n + H2O → (etylen terephthalat)n-1 + MHET Lượng vết của PET bị phá vỡ thành bis (2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET). PETase cũng có thể phá vỡ nhựa PEF (polyethylen-2,5-furandicarboxylate), đây là chất thay thế PET sinh học. PETases không thể xúc tác quá trình thủy phân của polyeste của hợp chất không vòng như polybutylene succinate hoặc axit polylactic. Sẽ mất hàng trăm năm để PET thoái hóa tự nhiên không dùng enzyme, nhưng PETase có khả năng làm thoái hóa PET chỉ trong vài ngày. PETase đầu tiên được phát hiện vào năm 2016 từ vi khuẩn Ideonella sakaiensis chủng 201-F6 tìm thấy từ các mẫu bùn được thu thập gần một địa điểm tái chế chai nhựa PET taị Nhật Bản. Các loại enzyme thủy phân khác bao gồm các hydrolase như: lipase, este và cutinase. Các khám phá về các enzyme phân hủy polyester bắt đầu từ năm 1975 (α- chymotrypsin) và 1977 (lipase). Nhựa PET đưa vào sử dụng rộng rãi vào những năm 1970 và người ta cho rằng PETase ở vi khuẩn mới chỉ tiến hóa gần đây. PETase có thể đã từng kích hoạt enzyme trong quá khứ, liên quan đến sự thoái hóa của lớp sáp trên vỏ cây. MHET bị phân hủy nhờ I.sakaiensis do tác dụng của enzyme MHETase tạo thành axit terephthalic và ethylene glycol. Tính đến tháng 4 năm 2019, đã phát hiện 17 cấu trúc tinh thể ba chiều của PETases: 6QGC, 6ILX, 6ILW, 5YFE, 6EQD, 6EQE, 6EQF, 6EQG, 6EQH, 6ANE, 5XJH, 5YNS, 5XFY, 5XFZ, 5XG0, 5XH2 và 5XH3. Có khoảng 69 enzyme tương tự PETase có trong nhiều loại sinh vật khác nhau, chia thành hai loại enzyme: loại I và loại II. Có ý kiến cho rằng nên chia thành 57 enzyme thuộc loại I và phần còn lại thuộc loại II, chứa enzyme PETase được tìm thấy trong Ideonella sakaiensis. Trong tất cả 69 enzyme tương tự PETase, tồn tại ba sản phẩm giống nhau trong vị trí hoạt động, chứng tỏ rằng cơ chế xúc tác trong tất cả các dạng enzyme tương tự PETase là giống nhau. Bề mặt của đột biến kép PETase (R103G và S131A) với HEMT (1-(2-hydroxyethyl) 4-methyl terephthalate) liên kết với vị trí hoạt động của nó. HEMT là một chất tương tự của MHET, có thêm nhómmetanol được ester hóa. PDBID: 5XH3. Sơ đồ PETase với ba dư lượng Ser160, Asp206 và His237. Bộ ba xúc tác được đại diện bởi các "que" màu lục lam. Vị trí hoạt động được hiển thị bằng màu cam, thể hiện sự kích thích của phân tử 2-HE (MHET)4. Năm 2018, các nhà khoa học từ Đại học Portsmouth với sự cộng tác của Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã phát triển một đột biến của PETase này làm thoái hóa PET nhanh hơn so với khi để tự nhiên. Trong nghiên cứu này cũng đã chỉ ra rằng PETase có thể làm thoái hóa polyetylen 2,5-furandicarboxylate (PEF). Galleria mellonella, một loại sâu bướm có thể tiêu hóa polyetylen. Aspergillus tubingensis, một loại nấm có thể tiêu hóa polyurethane. Pestalotiopsis microspora, một loài nấm nội sinh có khả năng phá vỡ polyurethane. cutinase, một enzyme esterase có hình dạng hình học tương tự ^ a b c Yoshida S, Hiraga K, Takehana T, Taniguchi I, Yamaji H, Maeda Y, và đồng nghiệp (tháng 3 năm 2016). “A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)”. Science. 351 (6278): 1196–9. doi:10.1126/science.aad6359. PMID 26965627. Tóm lược dễ hiểu (PDF) (ngày 30 tháng 3 năm 2016). ^ a b c d Austin HP, Allen MD, Donohoe BS, Rorrer NA, Kearns FL, Silveira RL, và đồng nghiệp (tháng 5 năm 2018). “Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (19): E4350–E4357. doi:10.1073/pnas.1718804115. PMC 5948967. PMID 29666242. ^ Dockrill, Peter. “Scientists Have Accidentally Created a Mutant Enzyme That Eats Plastic Waste”. ScienceAlert (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 27 tháng 11 năm 2018. ^ Tanasupawat S, Takehana T, Yoshida S, Hiraga K, Oda K (tháng 8 năm 2016). “Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly(ethylene terephthalate)”. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 66 (8): 2813–8. doi:10.1099/ijsem.0.001058. PMID 27045688. ^ Han X, Liu W, Huang JW, Ma J, Zheng Y, Ko TP, và đồng nghiệp (tháng 12 năm 2017). “Structural insight into catalytic mechanism of PET hydrolase”. Nature Communications (bằng tiếng Anh). 8 (1): 2106. doi:10.1038/s41467-017-02255-z. PMC 5727383. PMID 29235460. ^ Tabushi, Iwao; Yamada, Hidenori; Matsuzaki, Hidetaka; Furukawa, Junji (tháng 8 năm 1975). “Polyester readily hydrolyzable by chymotrypsin”. Journal of Polymer Science: Polymer Letters Edition. 13 (8): 447–450. doi:10.1002/pol.1975.130130801. ^ Tokiwa Y, Suzuki T (tháng 11 năm 1977). “Hydrolysis of polyesters by lipases”. Nature. 270 (5632): 76–8. doi:10.1038/270076a0. PMID 927523. ^ “Lab 'Accident' Becomes Mutant Enzyme That Devours Plastic”. Live Science. Truy cập ngày 27 tháng 11 năm 2018. ^ Allison Chan (2016). “The Future of Bacteria Cleaning Our Plastic Waste” (PDF). ^ a b Joo S, Cho IJ, Seo H, Son HF, Sagong HY, Shin TJ, và đồng nghiệp (tháng 1 năm 2018). “Structural insight into molecular mechanism of poly(ethylene terephthalate) degradation”. Nature Communications (bằng tiếng Anh). 9 (1): 382. doi:10.1038/s41467-018-02881-1. PMC 5785972. PMID 29374183.