科学者たちは原子のわずかな変化でプラスチックを食べる酵素をスーパーチャージする
ペットボトルを割るには、科学ではハンマーではなく、極小のメスが必要です。
オーストラリア国立大学（ANU）の研究者らは、プラスチックをむしゃむしゃ食べる酵素の内部の単一原子を変えることで、その酵素の力が高まることを発見した。
この修飾により、酵素は熱で溶けることなく、通常のほぼ 2 倍の速度でポリエチレン テレフタレート (PET) を消費できるようになります。つまり、これは小さな変化ですが、ゴミに溺れている地球に大きな変化をもたらす可能性があります。
この研究では、アザトリプトファンと呼ばれる合成の非標準アミノ酸をプラスチック分解酵素 (PETase) に添加すると、触媒活性と熱安定性の間のトレードオフを打破できることが示されました。
「酵素は何度も改変して性能を向上させることができますが、最終的には酵素の活性を高めると安定性が低下する点に到達し、その逆も同様です」と研究の筆頭著者であるエルウィ・アブデルカダー博士は述べた。 「我々が示したのは、酵素の構造と安定性をほぼ維持しながら、単一原子に至るまで信じられないほど正確な変更を加えることで、この限界を克服できるということです。」
単一原子溶液
プラスチック汚染と闘おうとするバイオエンジニアは、PETase 酵素を最適化する際に長い間問題に直面してきました。酵素の可塑性分解速度を改善するには、通常、その構造的完全性を損なう大規模な遺伝子改変が必要でした。 20 種類の天然アミノ酸のみを使用し、酵素によるプラスチックの分解を促進し、ほとんどの場合、高温で分解します。
活性の高い変異体は熱ストレス下で急速に分解し、安定した変異体は動作が遅すぎて商業的に実行可能ではありませんでした。
ANU チームは、焦点を「1 つの原子」という絶対的な限界に絞ることで、この問題を克服しました。
特に、標準アミノ酸のトリプトファンは、アザトリプトファンと呼ばれる合成対応物に置き換えられました。視覚的にも化学的にも、この 2 つはほぼ同一ですが、合成バージョンでは単一の炭素 – 水素ペアが窒素原子に置き換わっている点が異なります。
その原子的なナッジがすべての違いをもたらしました。改良された酵素により、耐熱性を維持しながらPETプラスチックを半分の時間で細断します。
「タンパク質への非標準アミノ酸の部位特異的導入に関する研究チームの経験に基づいて、小さな化学変化を導入することで、これまで達成が困難だったレベルの精度でタンパク質を調整できるようになりました」と共著者のトーマス・フーバー教授は述べた。
世界的なプラスチック危機
アトミック操作が機能するかどうかを確認するために、チームはテスト方法も再発明する必要がありました。
固体の PET プラスチックは溶解に抵抗するため、プラスチックの破壊を測定するための標準テストは非常に時間がかかり、テスト時間が数日長くなります。この障害を取り除くために、ANU 研究チームは PETra と呼ばれる蛍光検査を設計しました。この機器は、反応中に光る可溶性液体代用物をベースにしており、測定時間を数分に短縮し、酵素変異体の大規模なライブラリの迅速な評価を可能にします。
毎年、世界中で 3 億 5,000 万トンを超える PET プラスチック廃棄物が発生しています。しかし、埋め立てや焼却などの従来の廃棄手法は、貴重な資源を無駄にしながら深刻な環境汚染を引き起こします。この新しい技術はそれを阻止するのに役立つかもしれない。
将来の用途は、リサイクル箱をはるかに超えて使用される可能性があります。自然は、生命をわずか 20 個の標準アミノ酸に制限しています。
しかし科学者は現在、そのツールキットをカスタマイズされた合成ビルディングブロックで拡張することで、外科的精度でタンパク質を調整できるようになりました。
同じ単一原子戦略を、グリーン生産、先進的なバイオ燃料、標的医療のための超効率酵素の設計に間もなく使用できる可能性があります。
研究は雑誌に掲載されました アンゲワンテ・ケミー国際版。
