您的位置 首页 生物催化剂

Nature | 机器学习辅助改造PET水解酶

2022年4月,德克萨斯大学奥斯汀分校Andrew D. Ellington团队和Hal S. Alper团队共同在Nature上发表题为“Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization”的文章。

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)俗称涤纶,被广泛用于纺织业和塑料制品,占全球固体废物的12%,理论上可以通过PET水解酶对PET的快速解聚实现碳循环,然而大多数PET水解酶仅在高反应温度(约70℃)和催化高度加工过的底物时才显示出明显的水解活性。其中PET同化细菌Ideonella sakaiensis(PETase)可以在环境温度下进行水解但非常不稳定,其具有两个热稳定性和催化活性均有改善的工程化突变体——ThermoPETase和DuraPETase。

本文使用基于结构的三维自监督卷积神经网络(CNN)机器学习模型Mutcompute(https://mutcompute.com)来设计PETase,这是一款只需要提交PDB ID就可以进行预测和可视化的在线软件。作者使用WT PETase和ThermoPETase进行预测并将预测结果渲染到晶体结构上(图1a),然后根据相对于野生型的性能变化对预测结果进行排序(图1b)。研究使用逐步组合策略总共构建了159个单点和组合突变体,进一步表征这些突变体的催化活性和热稳定性,四个突变(S121E、T140D、R224Q和N233K)无论单点还是组合均导致了催化活性和热稳定性的提升,因此用于进一步的研究。

图1 机器学习引导酶性能提升流程

作者将WT PETase、ThermoPETase和DuraPETase作为模板引入以上四个突变的所有组合,由于ThermoPETase和DuraPETase中已分别有S121E和T140D两个突变,且有两个组合无法在DuraPETase中纯化,故共有27种可能的组合突变体被用于热稳定性分析。其中23个突变体的Tm相对于出发酶蛋白有所提升,DuraPETaseN233K是迄今为止热稳定性最佳的PETase(Tm为83.5℃),所有27个突变体的蛋白质产量均得到了提升,证明了MutCompute可预测更稳定突变体的能力。

接下来使用无定型PET薄膜在30到60℃温度范围内评估这些突变体的PET水解活性(图2)。PETaseS121E/R224Q/N233K与WT PETase相比,在30和40℃时PET水解活性分别提高了3.4倍和29倍。基于ThermoPETase的突变体显示出更大的工作温度范围,并显示出比出发蛋白更高的活性,其中ThermoPETaseN233K/R224Q在40和50℃下分别显示出2.4和38倍的活性提升,在50℃时表现出所有突变体中最强的PET降解能力,共释放了33.8 mM的PET单体(对苯二甲酸(TPA)和对苯二甲酸单(2-羟乙基)酯(MHET)的总和),将其命名为FAST-PETase。

图2 水解活性热图

作者分析了FAST-PETase的晶体结构来解释稳定性增强的原因。S121E突变与H186和N172形成新的水介导的氢键网络(图3(ii));R224的侧链突变为谷氨酰胺时,与S192的羰基形成氢键(图3(iv));N233K突变将带正电荷的赖氨酸置于E204旁边并建立了分子内盐桥(图3(vi))。

图3 结构比较

接下来,作者研究了基于机器学习的预测的可迁移性和普适性。作者选取了N233K突变,将类似的赖氨酸突变引入到叶枝堆肥角质酶(LCC)、LCCF243I/D238C/S283C/N246M(ICCM)和来自绿色糖酵母AHK190的类角质酶Cut190中。产生的赖氨酸突变体LCCD238K和Cut190D250K表现出热稳定性的提升(图4a),三种赖氨酸突变体在无定形PET薄膜上的水解活性都显著高于它们各自的野生型(图4b)。

图4 赖氨酸突变体的热稳定性和水解活性比较

之前的水解活性测试是在实验用的PET薄膜上进行的,而验证PETase对未经处理的塑料产品的性能至关重要。在50℃下用FAST-PETase对商店购买的51个塑料产品进行处理。尽管这些原材料在结晶度、分子量、厚度和添加剂方面存在差异,但打孔取得的样品在24小时到1周的时间内都被FAST-PETase完全降解(图5)。

图5 FAST-PETase水解不同来源塑料所需时间

以豆饼盒为例分析其随时间的变化,在FAST-PETase催化的16个小时里豆饼盒的质量几乎是呈线性衰减并且结晶度从1.2%增加到了7.7%,而其他酶的水解活性明显低于FAST-PETase,即使与LCC和ICCM在最佳反应温度下(72℃)的活性相比,FAST-PETase在50℃的活性仍分别比二者高4.9倍和1.5倍(图6)。使用原子力显微镜(AFM)以及扫描电子显微镜(SEM)进一步展示FAST-PETase的反应过程,随着水解的进行,PET表面产生越来越深、越来越大的孔,这导致在反应过程中表面粗糙度和不透明度不断增加(图7)。

图6 不同水解酶随时间对豆饼盒的水解过程

图7 PET薄片随时间的AFM图像

以上水解活性测定对象均为打孔的PET薄片,对于未经处理的大型塑料片,只需增加净反应体积便可轻松水解(图8)。与热成型的塑料产品不同,水瓶是通过吹塑生产的,在膨胀过程中会产生高度结晶的部分,导致瓶子各部分的结晶度不同(图9a),因此在不同的部分进行切片或打孔取样并在50℃下用FAST-PETase处理24小时。结果表明,在瓶口/颈部和底部中心区域有大量单体释放,而在瓶子的其余部分仅释放了微量单体,证明高结晶度会抑制酶解聚速率(图9b)。PET在70℃下会更具柔性,尝试用嗜热酶LCC和ICCM对PET进行水解,但无论在什么温度下,高度结晶的部分均不能被有效解聚。为了使瓶子能够被完全降解,作者对瓶子进行了热预处理,使瓶子变得均匀无定型,然后使用预处理过的瓶子的打孔薄膜进行水解活性测定(图9c),结果表明其可以被FAST-PETase有效解聚。对于完整的预处理的水瓶,FAST-PETase也可在不到2周的时间内将其基本完全降解(图9d)。

图8 大型塑料片水解过程

图9 塑料瓶的水解

除了塑料产品,PET还大量用于合成纺织行业,因此对五种不同的商业聚酯产品在50℃下用FAST-PETase处理,FAST-PETase为在纺织物中回收PET单体和减少微纤维进入环境提供潜在途径(图10)。

图10 商业聚酯的水解

最后,研究尝试了利用所获得酶突变体进行PET完整闭环回收过程。PET解聚只是循环塑料经济的一半,使用PETase解聚有色塑料,然后回收单体并重新聚合成透明的原始PET,将具有极高的工业价值。文章报道,使用FAST-PETase解聚有色塑料,回收的TPA单体产率能达到94.9%,纯度超过97%,然后利用所回收的TPA重新合成了原始PET,形成了完整的闭环PET回收过程(图11)。

图11 闭环的塑料回收过程

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04599-z

作者: loongsl



发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

评论列表(46)

  1. [url=https://chimmed.ru/products/fastwellstm-reagent-barriers-1-20-mm-id=4166022]fastwells(tm) reagent barriers, 1-20 mm& купить онлайн в интернет-магазине химмед [/url]
    Tegs: [u]bloc1s2 antibody 100 ul купить онлайн в интернет-магазине химмед [/u]
    [i]bloc1s3 antibody 400 microliter купить онлайн в интернет-магазине химмед [/i]
    [b]блочное разложеине методом кьедаля для высокопроизводительной лаборатории купить онлайн в интернет-магазине химмед [/b]

    fastwells(tm) reagent barriers, 1-32 mm& купить онлайн в интернет-магазине химмед https://chimmed.ru/products/fastwellstm-reagent-barriers-1-32-mm-id=4176209

  2. Каркасные дома с террасой: создаем комфортную зону отдыха
    каркасные дома под ключ в спб [url=https://finskie-doma121.ru/]https://finskie-doma121.ru/[/url] .

  3. Чистые окна – чистый дом: обеспечьте идеальную чистоту
    мытье окон [url=http://www.mytie-okon1.ru]http://www.mytie-okon1.ru[/url] .

  4. Безлимитный интернет для мобильного: как не ограничивать себя в использовании данных
    безлимитный тарифный план [url=http://mobilnyj-bezlimitnyj-internet.ru/]http://mobilnyj-bezlimitnyj-internet.ru/[/url] .

  5. Быстрый займ на карту без отказа: реальная помощь в сложной ситуации
    новые займы без отказа 2024 [url=http://www.zaym-na-karty-bez-otkaza.ru/]http://www.zaym-na-karty-bez-otkaza.ru/[/url] .

  6. Каркасные дома под ключ: реализуйте свою мечту быстро и эффективно
    каркасные дома под ключ [url=http://karkasnye-doma-pod-klyuch0.ru/]http://karkasnye-doma-pod-klyuch0.ru/[/url] .

  7. Краудлендинг как альтернатива банковскому кредитованию: за и против
    краудфандинг краудинвестинг краудлендинг [url=http://kraudlending77.ru/]http://kraudlending77.ru/[/url] .

  8. SEO стратегии: эксклюзивные курсы по оптимизации и продвижению сайтов
    seo оптимизация курсы [url=http://kursy-seo1.ru/]http://kursy-seo1.ru/[/url] .

  9. Топ клининговых компаний Москвы: качественная уборка для вашего дома
    клининговые компании в москве рейтинг [url=http://www.kliningovye-kompanii-reiting1.ru/]http://www.kliningovye-kompanii-reiting1.ru/[/url] .

  10. SEO курсы: обучение ключевым навыкам и знаниям
    курсы сео [url=http://kursy–seo.ru/]http://kursy–seo.ru/[/url] .

  11. Innovate Faster with a 3D Printer
    3d printer price [url=https://3d-ruyter53.ru/]https://3d-ruyter53.ru/[/url] .

  12. Создайте свой идеальный десерт: мастер-классы от знаменитых кондитеров
    курсы пекарей для начинающих [url=http://www.kursy-konditera-moskva.ru]http://www.kursy-konditera-moskva.ru[/url] .

  13. Полный спектр услуг по организации похорон от профессионалов
    полная организация похорон [url=https://www.pohoronnoe-bjuro-444.ru/]https://www.pohoronnoe-bjuro-444.ru/[/url] .

  14. Привет. [url=https://kuzovzap.by/]kuzovzap.by[/url] – новые оригинальные запчасти для машин. Гарантия и доставка по Минску и области. Привлекательный ассортимент товаров в магазине. Подбор автозапчастей для любой марки. Перейдите на сайт для заказа деталей кузова.

  15. Insider Tips for Jeetbuzz Casino: Bet Smart, Win Big
    jeetbuzz casino bonus [url=https://www.jeetbuzzcasino.net]https://www.jeetbuzzcasino.net[/url] .

  16. Jeetbuzz Casino: Your Premier Destination for Online Casino Action
    jeetbuzz casino bangladesh [url=https://jeetbuzzcasino.org]https://jeetbuzzcasino.org[/url] .

  17. Exclusive Perks and Rewards in Betandreas Casino VIP Club
    betandreas casino app [url=https://www.betsandreascasino.com]https://www.betsandreascasino.com[/url] .

  18. Unlock Your Winning Potential at Jeetwin Casino Today
    jeetwin casino app [url=https://www.jeetwin.casino/]https://www.jeetwin.casino/[/url] .

  19. Glory Casino: Your First Choice for Online Slots
    glory casino loyalty [url=http://glorycasinobonuses.com]http://glorycasinobonuses.com[/url] .

  20. Glory Casino: A World of Elite Online Poker Tournaments
    glory casino app [url=http://www.glorycasinoregistration.com]http://www.glorycasinoregistration.com[/url] .

  21. Современное оборудование и опытные специалисты – наша гарантия качества. Каждая партия проходит проверку у начальника производства перед отправкой к клиенту https://shekswood.ru/.

  22. Установка и обслуживание газовых котлов, газификация, газовое оборудование, отопление и водопровод в Ростове-на-Дону https://strgaz.ru/.

  23. Выведение из запоя и снятие похмельного синдрома в день обращения в клинику https://otkapka.ru.

  24. Elevate Your Gaming Experience at Glory Casino
    glory casino bonus [url=https://www.glorycasinoapp.download/]https://www.glorycasinoapp.download/[/url] .

  25. Maximize Your Wins: Expert Tips for Glory Casino Players
    glory casino app [url=glorycasinoin.com]glorycasinoin.com[/url] .

  26. Glory Casino Tournaments: Compete and Win Huge Prizes
    glory casino bonus [url=https://www.glorycasino24.online]https://www.glorycasino24.online[/url] .

  27. Целью Академии является содействие членам в осуществлении деятельности в области жилищно-коммунального хозяйства, бытового обслуживания и экологии, объединение усилий в создании мультипликативного эффекта выраженного в развитии и модернизации жилищного фонда, эффективном использовании коммунальных ресурсов, создании благоприятного инвестиционного климата и совершенствования институциональной среды ЖКХ. https://www.acgkh.ru/

  28. Криминалистика — прикладная юридическая наука, исследующая закономерности приготовления, совершения и раскрытия преступлений, возникновения и существования его следов, собирания, исследования, оценки и использования доказательств https://criminalistics-ed.ru/.

  29. Сайт – не картина, внешним видом которой любуются прохожие. Это в первую очередь информационное поле, каждый сантиметр которого мы заполняем и обновляем с толком https://s-day.ru/!

  30. Для многих проблема алкоголизма стоит очень остро, но от судьбоносного решения обратиться к специалисту их удерживает опасение огласки или нежелание https://otkapka.ru.

  31. Если вы путешествуете частным авиасудном редко, то бронировать его рентабельнее, чем обслуживать https://blogstreetdog.ru/.

  32. Загадочные критерии истины
    истина всегда конкретна [url=https://www.koah.ru/kanke/62.htm]https://www.koah.ru/kanke/62.htm[/url].

  33. [url=https://www.mistralbg.com/pochivki-italia]Почивки в Италия[/url] в избрани места на добри цени и условия.
    Избери ваканция в Сицилия, Пулия, Римини, Кампания, Тоскана, Сардиния, Лигурия. [b]Резервирайте вашата ваканция в Италия с Мистрал Травел![/b]

  34. Надежность и ответственность перед каждым клиентом
    Автосервис японских авто [url=http://www.tokyogarage.ru]http://www.tokyogarage.ru[/url].

  35. Заказать двери на заказ в Москве
    Изготовление дверей на заказ по индивидуальным размерам
    Как выбрать дверей на заказ
    Материалы и цвета дверей на заказ
    Двери на заказ: доставка и монтаж дверей на заказ
    Какие факторы влияют на выбор дверей на заказ? варианты дверей на заказ
    Ламинированные двери на заказ: преимущества и недостатки
    Металлические двери на заказ: надежность и безопасность
    Какие двери на заказ подойдут для загородного дома?
    Двери цены в розницу [url=http://www.mebel-finest.ru]http://www.mebel-finest.ru[/url].

联系我们

联系我们

(44)07934433023

在线咨询: QQ交谈

邮箱: info@bioengx.org

关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们

关注微博
返回顶部