多年来，塑料的使用在我们日常生活中变得不可或缺，但如今却成为我们这个时代最严重的环境挑战之一。欧洲塑料制造商协会报告称，2022年全球塑料废弃物中仅有不到20%被回收，尽管全球生产了超过3.9亿吨的塑料。
目前，有两种主要的塑料回收方法：机械回收和化学回收。机械回收无法将废弃塑料转化为不同类型的塑料，而且在废弃塑料被回收多次后会出现劣化。化学回收是一种将塑料分解成分子级别的过程，然后可以用于制造新的塑料。这提供了一种高效处理塑料废弃物并减少其环境影响的方法。
在这个背景下，绿色化学是一个致力于寻找创新和可持续解决方案来解决全球环境挑战的不断发展的领域，例如塑料污染。特别是，酶降解已经成为机械塑料回收的创新和更环保的替代方案。它涉及使用酶将塑料材料分解为其基本组分，使其更容易回收。这种方法具有多种优势，包括降低能源消耗和能够回收更广泛范围的塑料。
用于塑料回收目的的工程酶
酶是生物催化剂，能够加速化学反应。它们具有独特的特性，使其能够在不对环境造成危害的情况下分解各种分子。与通常使用烈性和有毒物质的传统化学方法不同，酶催化降解提供了一种更环保的替代方案。酶催化降解可以用于回收废弃材料，如塑料。某些酶具有分解塑料聚合物的能力，将它们转化为其原始单体。这使得废弃塑料更容易回收，减少了塑料垃圾在垃圾填埋场和海洋中的积累。
在受到最广泛研究的酶中，我们提出使用叶-枝堆肥切酯酶（LCC）进行聚酯和聚酰胺的降解和合成，这是因为该酶具有易于接触的活性位点和对固体聚合物的亲和性。我们项目的目标是利用蛋白工程来修改天然的LCC，获得一种能够降解聚酰胺的酶，而聚酰胺比聚酯更为耐久和难降解。因此，通过将聚合物的结构特征与酶的催化性质相联系，我们有可能实现对环保的新型定制可生物降解聚合物的合理设计。然而，新酶的实验筛选非常昂贵且耗时。因此，为了加速选择最佳生物催化剂，我们采用了基于计算的方法。
在自动化仿真工作流程中
融合基于计算和实验的方法
我们的方法是将计算研究与实验研究相结合，以识别进行突变的热点残基，并进行实验研究以评估所选突变体（在特定位点改变的LCC酶）的稳定性和活性。为了实现这一目标，我们采用了过程自动化和设计优化软件modeFRONTIER，将不同的生物信息学工具集成到一个单一的仿真工作流程中，以自动化虚拟突变体的基于计算的设计和筛选。实验数据（活性测定、热稳定性分析、结构研究）用于调整算法的参数。
酶筛选仿真的流程图
基于计算的酶筛选modeFRONTIER流程。从左到右依次是：底物和酶的准备、对接、分子动力学、对接和数据分析。
通过使用modeFRONTIER，我们开发了一个自动化工作流程，利用分子动力学仿真和对接技术来识别具有所需特性的酶。分子对接快速筛选候选突变体。然后，通过分子动力学技术对所选突变体进行精确仿真，以进行更详细的分析。
在计算流程的最后，通过计算产生构象的百分比完成了评分过程。对接自由能的大负值与有利构象相关联。
含有1,4-丁二醇和己二酸的二聚体在Hic角质层的活性位点相对于催化Ser 105的构象（左）。红色方块是有效姿势对接自由能量的平均值（右）。
通过使用 modeFRONTIER，我们能够从一系列酶结构中选择最佳的生物催化剂，用于催化聚酯的合成和/或水解反应。
Anamaria Todea，Demi Vattovaz
博士后研究员，博士研究生
的里雅斯特大学（University of Trieste）
总的来说，这项研究表明，由于其活性位点易于访问，切酶是设计能够水解或合成庞大聚合物的酶的有前景的起点。此外，由 modeFRONTIER 驱动的自动计算模拟工作流程是一种良好的实践，可快速选择在催化生物基聚酯的水解和/或合成中高效的酶。研究结果对有理生态设计定制新型可持续聚合物做出了贡献，也是朝着在硅中生成和筛选新的聚合物领域生物催化剂的计算生成的第一步。
该项目已从欧盟的地平线2020研究与创新计划中获得资助，Marie Skłodowska-Curie资助协议编号为101029444。
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