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麻省理工学院化学家揭示了可生产生物降解塑料的细菌酶

返回列表发布时间:2018-05-16

这里的图片是PHA酶的结构图,细菌用于生产类似于塑料的长聚合物链。麻省理工学院的化学家已经确定了聚合物结构单元通过哪些开口进入并且完成的链条出现。

em麻省理工学院的研究人员已经确定了可生产生物降解塑料的细菌酶的结构,这一进展可帮助化学工程师调整酶,使其在工业上更有用。 / em

该酶产生长聚合物链,可以形成硬塑料或软塑料,这取决于进入它们的起始材料。学习更多关于酶的结构可以帮助工程师控制聚合物的组成和大小,这是朝向这些塑料的商业生产的可能步骤,与由石油产品形成的传统塑料不同,其应该是可生物降解的。

“我希望这种结构能够帮助人们思考一种方法,我们可以利用大自然中的知识为我们的星球做更好的事情,”麻省理工学院化学和生物学教授,霍华德休斯医学研究所研究员凯瑟琳德伦南说。 。 “我相信你在开始设计这些酶之前,希望对这种酶具有良好的基本认识。”

Drennan和JoAnne Stubbe,诺华化学名誉教授和生物学名誉教授,是该研究的高级作者,其出现在“生物化学杂志”(Journal of Biological Chemistry / em)上。该论文的主要作者是研究生伊丽莎白威滕伯恩。

一个难以捉摸的结构

聚羟基链烷酸酯(PHA)合成酶几乎存在于所有细菌中,用于生产缺乏食物时可储存碳的大聚合物。细菌 em Cupriavidus necator / em可以存储85%的干重作为这些聚合物。

该酶根据起始材料产生不同类型的聚合物,通常是称为羟烷基 - 辅酶A的分子的多种变体中的一种或多种,​​其中术语烷基指的是帮助确定聚合物性质的可变化学基团。其中一些材料形成硬塑料,而另一些则更柔软,更柔韧或具有与橡胶更类似的弹性特性。

PHA合酶对化学家和化学工程师非常感兴趣,因为它可以以精确控制的方式将多达30,000个亚基或单体连接在一起。

Stubbe说:“在这种情况下以及其他许多方面,大自然可以做出巨大的聚合物,比人类能制造的大得多。” “它们具有均匀的分子量,这使得这些聚合物的性质不同。”

Drennan,Stubbe和其他化学家多年来一直在追求这种酶的结构,但直到现在,由于蛋白质结晶困难,它已被证明是顽固地难以捉摸的。结晶是进行X射线晶体学的必要步骤,其揭示蛋白质的原子和分子结构。

两位前研究生Marco Jost和Yifeng Wei也是这篇论文的共同作者,他将研究结果作为一个副项目,在离开麻省理工学院之前取得了成功。

一旦研究人员获得了晶体,Wittenborn收集并分析了所得到的结晶学数据以得到结构。分析显示PHA合酶由两个相同的亚基组成,它们形成所谓的二聚体。每个亚基具有发生聚合的活性位点,因此消除了活性位点将位于二聚体界面的早期提议。

分析还显示,该酶有两个开口 - 一个是起始材料进入另一个开口,允许不断增长的聚合物链退出。

Stubbe说:“底物的辅酶A部分必须返回,因为必须放入另一种单体。 “有很多正在进行的体操,我认为这让人着迷。”

进入通道的位置明显是由高度保守的氨基酸所界定的大孔,即随着酶进化而保持恒定的氨基酸。退出通道更难以识别,因为它是一个小得多的开口,但研究人员能够找到它的一部分,因为它也被保守的氨基酸包围。

Wittenborn说:“保守的残基在出口通道周围形成一个弧状网络。 “他们几乎完全包围了渠道的一小部分,我们认为他们在那里帮助保护蛋白质,因为聚合物开始推动它通过这个管道。”

新的框架

Drennan的实验室现在计划尝试解决酶的结构,同时与底物和产品结合,这应该产生更多关于理解其工作原理的关键信息。

“这是研究这些系统的新时代的开始,我们现在拥有这个框架,并且通过我们所做的每一个实验,我们将会学习更多,”Drennan说。

一些生物技术公司已经开始使用PHA合成酶和其他生产聚合物所需的酶来制造PHA,现在有一家公司正在使用它来制造用于医疗用途的聚合物。尽管该方法大部分不具有成本效益,不足以与从石油衍生出的低成本常规塑料具有经济竞争力,但该技术使得能够生产独特的PHA聚合物组合物,其可用于特种聚合物添加剂,乳胶和医疗应用。

Yield10 Bioscience / Metabolix公司的首席科学官兼研究副总裁Kristi Snell说,这项研究产生的新结构信息对成本影响不大,但可能为其他新材料和应用带来可能性。 PHA生物聚合物技术转让给另一家公司。

“这种酶的结构和机制已经成为20多年来的一个大问题,并且发现这种结构可以提供见解,帮助研究人员制造出具有独特性能的更好的聚合物,”Snell说。

出版物:Elizabeth C. Wittenborn等人,“来自Cupriavidus necator的I类聚羟基丁酸合成酶的催化结构域的结构”,JBC,2016; doi:10.1074 / jbc.M116.756833

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