在过去的二十年里，大量的研究工作致力于发现和设计聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）水解酶，从检测痕量的释放产物到实现高底物转化率均促进了PET生物降解的研究。在固体底物负载200 g kg−1的条件下，一种LCC酶突变体预处理PET的解聚率达到90%，具有极高的工业应用前景。然而，由于物理老化作用，仍然有10%的PET不可被生物降解，且这部分PET的结晶度高约30%，因而阻碍了PET解聚物的再利用。所以在解聚过程中，转化率是仅次于固体底物负载量而影响PET再利用的最大因素。降低反应温度可以极大地抑制物理老化作用，但同时牺牲了亲热性PET水解酶的催化效率，因此亟需开发能够在低温下高效解聚非晶态PET链的生物催化剂。
人工智能在解决蛋白质适合度景观以探测隐藏进化信息方面取得了很好的成绩。受此启发，该论文设计出新策略寻求热稳定性和水解效率的平衡，结合蛋白质语言模型和力场算法设计出PET水解酶变体（TurboPETase）在50 °C~65 °C范围内的水解率优于目前领域中最有效的PET水解酶。TurboPETase非凡的降解性能使PET在8小时内几乎完全解聚，工业规模的底物负载为200 g kg−1，最高生产速率为61.3 g水解PET L−1 h−1，解决了不可生物降解PET残留的挑战。
作者用大约26,000个PET水解酶的同源序列训练了两个数据集而得到了一个语言模型，并从进化的景观中预测了氨基酸残基变化的概率（图1A）。突变体构效关系的分析结果表明，降低酶最适催化温度引起了稳定性的下降，需要引入补偿性突变来抑制稳定性下降带来的不利影响。因此，作者采用之前设计的GRAPE策略，利用四种互补算法，即FoldX（力场能量函数）、Rosetta_cartesian_ddg（力场能量函数）、ABACUS（统计能量函数）和DDD（力场能量函数）来设计稳定突变（图1B）。最后获得的组合突变体TurboPETase相比于野生型BhrPETase，Tm从97 °C降低至85 °C，稳定性提高了3.4倍（图1D）。
图1 使用组合计算方法重新设计PET水解酶的示意图
随后，他们在底物载量30 g kg-1和酶载量2 mg g-1的条件下考察了TurboPETase催化活性（图2A，B）。在50 °C~65 °C范围内，TurboPETase的水解活性都远远超越了其他PET水解酶。
图2 TurboPETase与其他已知PET水解酶解聚性能的比较
如图3所示，在高底物负载量（200 g kg-1）的情况下，TurboPETase能够在8小时内实现PET的几乎完全降解，最大生产速率为61.3 g水解PET L−1 h−1。而LCCICCG在65 °C下反应16 h只能实现97.7%的水解，72 °C反应12 h实现92.5%的水解，且剩下的PET结晶度分别为11.1%和32.5%。
图3 用TurboPETase和LCCICCG在生物反应器中解聚PET
动力学和结构解析结果表明，水解性能的提升主要源于TurboPETase表面残基的改变。综合结构分析和动力学数据，他们推断酶表面PET结合槽灵活性的大大增加，使得酶可以通过动态结合提供更多的空间来采取各种进攻构象。
作者建立一种混合计算策略重新设计了一个PET水解酶TurboPETase，且该酶的性能明显优于其他已知的PET水解酶，可在工业相关的固体底物负载水平上实现消费后PET瓶的几乎完全降解。这种高效、优化的酶将在未来成为工业塑料回收过程中具有良好应用的候选者。
