MIT的化學(xué)家們正在研究調(diào)整一種酶結(jié)構(gòu)。它能夠催化可降解塑料的合成，對于推廣商業(yè)化，保護(hù)地球環(huán)境有著重要的意義。在酶的催化下，首先形成一條高分子長鏈，然后根據(jù)起始原料的不同形成硬性或者軟性塑料。了解酶的結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步控制塑料成分和尺寸，這是將其商業(yè)化的必經(jīng)之路。

    教授Catherine Drennan是MIT化學(xué)生物方向的專家，他說：“我希望我們能夠從大自然中獲得啟示，并以此來改善我們的生存家園。在設(shè)計(jì)和改造酶之前，我們一定要充分地了解它的結(jié)構(gòu)。”

    此項(xiàng)成果發(fā)表在期刊Journal of Biological Chemistry上，資深學(xué)者Drennan和JoAnne Stubbe是其中的兩位作者，第一作者是名為Elizabeth Wittenborn的研究生。

    復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

    聚羥基烷酯（PHA）合成酶是一種非常普通的酶，它存在于大多數(shù)細(xì)菌的內(nèi)部。這種酶能夠合成一種特殊的聚合物，用來在食物缺乏的狀態(tài)下存儲碳元素。比如鉤蟲貪銅菌能夠通過這種酶存儲相當(dāng)于自身干重85%的“食物”。

    采用不同的起始原料，就會得到不同類型的塑料，而這些起始原料通常是烷烴基輔酶A的一種或幾種衍生物（烷烴是一種化學(xué)基團(tuán)，它能夠決定聚合物的性質(zhì)）。制得的塑料類型也多種多樣，有硬性塑料，軟性塑料，以及類似橡膠的彈性塑料。

    化學(xué)家和化學(xué)工程師們對PHA合成酶有著極大的興趣，因?yàn)樗芸煽氐貙?000個單體精確地連結(jié)起來。Stubbe說：“在這種情況下，自然界能夠合成出超大的聚合物，比人類合成的任何一種聚合物都要大，它們有著同樣的分子重量，如此獨(dú)特新奇。”

    由于這種蛋白質(zhì)很難結(jié)晶，所以雖然Drennan, Stubbe以及眾多科學(xué)家已經(jīng)研究這種酶結(jié)構(gòu)很久了，但是其結(jié)構(gòu)仍然復(fù)雜難懂。我們知道，若想通過XRD研究蛋白質(zhì)的分子原子結(jié)構(gòu)，結(jié)晶的步驟必不可少。

    Marco Jost and Yifeng Wei也是該成果的合作作者，他們是MIT的歷屆研究生。畢業(yè)之前他們研究了關(guān)于結(jié)晶的課題，并在畢業(yè)之前成功完成。

    一旦有了晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，一切迎刃而解。Wittenborn分析了這些晶體學(xué)數(shù)據(jù)，想出了這種酶結(jié)構(gòu)。分析顯示，PHA合成酶含有兩個完全一樣的單元結(jié)構(gòu)，即形成一個二聚體。每一個單元都有一個縮聚反應(yīng)的活性位點(diǎn)，因此推翻了之前的推測：活性位點(diǎn)處于二聚物的表面。

    分析還指出，這種酶有兩個端口，一個是起始原料的進(jìn)入端，一個是聚合物長鏈的結(jié)束端。

    Stubbe說：“輔酶A作為底物，需及時退出以引入單體。這個反應(yīng)包含了許多運(yùn)動過程，十分有趣。”

    進(jìn)入通道的位置十分明顯，此處有一個大的孔洞，周圍有保守氨基酸。退出通道的孔洞很小，因此難以發(fā)現(xiàn)。但它的周圍也環(huán)繞著保守氨基酸，因此最終也被找到。

    Wittenborn說：“退出通道處的保守氨基酸等形成了一個弧形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它們幾乎將狹窄的通道包圍起來。我們推測它在聚合物通過管道時，起到了保護(hù)蛋白質(zhì)的作用。”

    新框架

    酶的結(jié)構(gòu)對于基底和產(chǎn)物至關(guān)重要，因此Drennan的實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃研究PHA酶結(jié)構(gòu)，獲得更多更重要的信息，從而研究它的工作機(jī)理。Drennan說：“這是學(xué)習(xí)這些酶系統(tǒng)的開端，我們做的每一個實(shí)驗(yàn)都會加深我們對它的理解。”

    一些生物科技公司開始使用PHA合成酶等其它酶類制備塑料制品，有一家公司正在用其生產(chǎn)醫(yī)療用品。盡管在很大程度上與傳統(tǒng)的塑料制品相比，這樣做是不合算的，但是用這種酶合成的聚合物可以用于特殊的領(lǐng)域，如專用聚合物添加劑，乳膠以及一些醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

    雖然了解酶的結(jié)構(gòu)信息對于降低成本作用不大，但它能夠?yàn)殚_發(fā)新材料和新用途提供可能。Kristi Snell是一家有名的生物科技公司的副理事長，他說：“酶的結(jié)構(gòu)和催化機(jī)理能為研究人員開發(fā)新材料提供新的方向。”