塑料廢棄物，帶來了重大環(huán)境挑戰(zhàn)，尤其是聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），是當(dāng)今使用量最大的飲料包裝，用于碳酸飲料、飲用水、果汁等包裝瓶，還被廣泛應(yīng)用于食品、化工、藥品包裝等領(lǐng)域。這促使人們研究酶促生物降解技術(shù)來應(yīng)對這些塑料廢棄物問題。然而，現(xiàn)有的 PET 水解酶，序列多樣性狹窄、性能欠佳，實(shí)際應(yīng)用受限。
近日，上海人工智能實(shí)驗(yàn)室青年研究員談攀聯(lián)合上海交通大學(xué)自然科學(xué)研究院/物理天文學(xué)院/張江高研院/藥學(xué)院洪亮教授團(tuán)隊(duì)，在 Nature Communications 期刊發(fā)表了題為：Harnessing Protein Language Model for Structure-Based Discovery of Highly Efficient and Robust PET Hydrolases 的研究論文。
該研究發(fā)布了用于酶挖掘的蛋白質(zhì)大模型--VenusMine，該模型融合了蛋白質(zhì)語言大模型與三維結(jié)構(gòu)分析，通過蛋白質(zhì)序列、結(jié)構(gòu)和功能之間的隱含映射規(guī)則，能在海量的蛋白數(shù)據(jù)庫中高效挖掘同源性低但功能優(yōu)異的酶分子。
應(yīng)用該模型，研究團(tuán)隊(duì)成功發(fā)現(xiàn)了一系列 PET 水解酶，其中來自 Kibdelosporangium banguiense 的 KbPETase 表現(xiàn)出極高的催化效率和熱穩(wěn)定性，其最適酶活是模板 IsPETase 的 97 倍。
該研究開發(fā)了一種基于蛋白質(zhì)大模型的酶挖掘模型--VenusMine，它將蛋白質(zhì)語言模型（PLM）與表示樹相結(jié)合，利用序列信息基于結(jié)構(gòu)相似性來識別 PET 水解酶。
以 IsPETase 的晶體結(jié)構(gòu)為模板，VenusMine 識別并聚類目標(biāo)蛋白質(zhì)。候選蛋白進(jìn)一步通過基于蛋白質(zhì)語言模型（PLM）的溶解性和熱穩(wěn)定性評估進(jìn)行篩選，最終選出 34 種蛋白質(zhì)，然后進(jìn)行進(jìn)一步的生化驗(yàn)證。
結(jié)果表明，在 30-60 °C的范圍內(nèi)，有 14 種候選蛋白質(zhì)表現(xiàn)出對 PET 的降解活性。值得注意的是，來自 Kibdelosporangium banguiense 的 PET 水解酶（KbPETase）的熔解溫度（Tm）比 IsPETase 高 32°C（該溫度越高，蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性卻強(qiáng)），并且在 30-65℃ 范圍內(nèi)顯示出野生型 PET 水解酶中最高的 PET 降解活性。KbPETase 的催化效率也超過了 FastPETase 和 LCC。
X 射線晶體學(xué)和分子動力學(xué)模擬表明，KbPETase 具有保守的催化結(jié)構(gòu)域和增強(qiáng)的分子內(nèi)相互作用，這支撐了其功能和熱穩(wěn)定性的提升。
總的來說，這項(xiàng)研究展示了一種新穎的深度學(xué)習(xí)方法，用于發(fā)現(xiàn)具有增強(qiáng)性能的天然 PET 水解酶。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-61599-z
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