农田里栽种着丰富的农作物，为人们提供赖以生存的粮食。然而，农用地膜的大量使用带来了严重的白色污染。PBAT是一种由己二酸、丁二醇和对苯二甲酸缩聚而成的新一代塑料。它有着和塑料PET类似的分子结构。因具有优良的延展性、热稳定性和可塑性，它被广泛应用于农业（农用地膜）、纺织业以及食品包装等产业。然而随着PBAT的广泛应用，造成了PBAT废塑料的大量积累，给环境带来了很大压力。
近日，湖北大学教授郭瑞庭团队和武汉大学教授刘映乐，利用结构生物学和酶学技术，发现角质酶可以高效降解多聚物PBAT，同时阐明了相关催化机制。该研究近日发表于《自然-通讯》。
论文通讯作者郭瑞庭告诉《中国科学报》，一直以来，生物酶法绿色降解塑料是塑料污染问题的最佳方案。然而，PBAT塑料具有规则的晶体状分子结构，聚合物纤维排列非常紧密，寻找能够“咀嚼”PBAT的降解酶非常困难。为了解决上述难题，郭瑞庭团队通过大规模筛选，终于发现一种用于降解PBAT地膜塑料的角质酶TfCut。这种酶可以在两天内将PBAT地膜快速分解成大碎片、小颗粒，直至完全消失。
研究人员进一步对PBAT降解过程中间物进行分离和鉴定，他们主要发现了3种中间产物——BTa、ABTa和TaBTa（Ta=TPA），以及终产物TPA。观察这4种中间产物的变化发现，ABTa和TaBTa会在8小时左右达到最高值，然后逐渐下降直至消失。48小时后，反应产物主要是TPA和BTa。
“PBAT降解产物有多种可能，但是角质酶TfCut降解PBAT过程中却只出现了这4种产物且都是以TPA为末端，因此我们推测TfCut角质酶降解PBAT可能存在一种独特机制。”论文通讯作者、湖北大学教授陈纯琪说。
值得注意的是，TPA本身作为合成PBAT的原料之一，来自原油。受供需关系影响，近年原油价格持续走高，PBAT生产成本大幅上涨，产业链条下游波动较大，造成不确定性增加。论文通讯作者刘映乐说，如果可以将PBAT降解产物归拢到TPA上，重新回收并用于合成PBAT或其他多聚物，就可以实现PBAT循环利用，大大减少原油消耗，这具有良好的产业应用价值。
郭瑞庭团队前期研究发现，将角质酶TfCut的大二元体（H224-F228）改造成小二元体（S224-I228）后，降解PET塑料的活性明显升高。于是，他们将该策略应用到PBAT降解。结果发现，改造的TfCut小二元体突变（TfCut-DM）降解PBAT48小时后只剩下TPA。论文第一作者、湖北大学副教授杨钰认为，该结果有利于实现多聚物PBAT降解后得到的TPA的循环利用。
此外，该研究发现，拥有小二元体的TfCut同样可以高效降解被紫外线照射后已经发生交联反应的更难于降解的PBAT。这一发现为角质酶降解PBAT的应用研究打下了坚实基础。论文第一作者、湖北大学副教授闵鉴介绍，通过比较降解过程中的复合体晶体结构，他们发现，野生型角质酶TfCut的活性区入口处较为突出，而改造后的角质酶TfCut-DM活性区入口处较为平坦，更有利于PBAT长链的结合。
这从结构上解释了TfCut-DM降解活力提高的原因。郭瑞庭指出，野生型角质酶降解PBAT的终产物为BTa和TPA，而改造后的角质酶TfCut-DM活性更高，终产物为TPA，这更有利于实现PBAT酶水解后产物的回收循环利用。该研究为实现生物法降解多聚物PBAT并循环利用终产物TPA奠定了基础。