원문링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389421010396
연구 배경
PET의 생물학적 분해는 선택적으로 플라스틱 폐기물 문제를 해결할 수 있는 친환경적이며 지속가능한 방법으로 각광받고 있다. 특히 PET 분해효소를 분비하는 미생물은 환경에 유리된 플라스틱 폐기물 처리에 유용하게 활용될 수 있어 Ideonella sakaiensis 유래 PETase (IsPETase)에 대한 광범위한 연구가 수행되었다. 효율적인 PET 분해효소 개발 및 산업적 활용을 위해서는 IsPETase의 분자수준에서의 PET 분해 메커니즘에 대한 명확한 이해가 필요하다.
연구 성과
IsPETase와 같은 Type IIb에 속하며 72% 유사도를 보이는 Rhizobacter gummiphilus NS21 균주 유래 PETase (RgPETase) 단백질에 대한 연구를 통해 PET 분해 메커니즘에 대한 이해를 높이고자 하였다. RgPETase는 microcrystalline PET에 대해서는 IsPETase와 유사한 가수분해 활성을 가지지만 amorphous PET 필름에 대해서는 전혀 다른 활성을 보였다. RgPETase의 구조 분석은 효소가 IsPETase의 주요한 구조적 특징을 공유하고 있으나 Wobbling tryptophan을 포함한 루프의 모양 및 표면 전하에서 차이가 있다는 것을 보여주었다. 더 나아가 RgPETase 단백질 표면의 정전기 전하가 PET 분해능에 미치는 영향을 규명하며 PET 분해 메커니즘에 대한 이해를 높였다.
향후 계획
중온에서 IsPETase와 유사한 PET 분해능을 보이는 RgPETase는 산업적으로 활용가능한 효율적인 PET 분해효소의 새로운 타겟 단백질로 활용될 수 있으므로, 효소의 PET 분해능 및 열안정성을 높이기 위한 단백질 공학연구를 수행할 예정이다. 또한, 다양한 기질에 대한 분해능 측정을 통해 PET 분해효소가 PET 표면에 비특이적으로 결합하는 흡착 메커니즘을 규명하기 위한 연구를 진행할 계획이다.
Abstract
The development of a superb polyethylene terephthalate (PET) hydrolyzing enzyme requires an accurate understanding of the PET decomposition mechanism. However, studies on PET degrading enzymes, including the PET hydrolase from Ideonella sakaiensis (IsPETase), have not provided sufficient knowledge of the molecular mechanisms for the hardly accessible substrate. Here, we report a novel PET hydrolase from Rhizobacter gummiphilus (RgPETase), which has a hydrolyzing activity similar to IsPETase toward microcrystalline PET but distinct behavior toward low crystallinity PET film. Structural analysis of RgPETase reveals that the enzyme shares the key structural features of IsPETase for high PET hydrolysis activity but has distinguished structures at the surface-exposed regions. RgPETase shows a unique conformation of the wobbling tryptophan containing loop (WW-loop) and change of the electrostatic surface charge on the loop dramatically affects the PET-degrading activity. We further show that effect of the electrostatic surface charge to the activity varies depending on locations. This work provides valuable information underlying the uncovered PET decomposition mechanism.