Supercomputere hjælper med at designe mutant enzym, der spiser plastikflasker

En dumper til en værdi af plastik tømmes ud i havet hvert minut. I hele verden, menneskeheden producerer over 300 millioner tons plastik hvert år, hvoraf meget forventes at vare fra århundreder til årtusinder og forurener både vand- og terrestriske miljøer. PET plast, forkortelse for polyethylenterephthalat, er den fjerde mest producerede plastik og bruges til at lave ting som drikkevareflasker og tæpper, sidstnævnte i det væsentlige ikke genbruges. Nogle videnskabsmænd håber at ændre det, ved hjælp af supercomputere til at konstruere et enzym, der nedbryder PET. De siger, at det er et skridt på en lang vej mod genanvendelse af PET og anden plast til kommercielt værdifulde materialer i industriel skala.

"Vi går ideelt set fra et sted, hvor plastik er svært at genbruge, til et sted, hvor vi bruger naturen og millioner af års evolution til at rette tingene på en måde, der gør plastik let at genbruge, " sagde Lee Woodcock, en lektor i kemi ved University of South Florida. Woodcock var medforfatter til en undersøgelse, der undersøgte strukturen af ​​et enzym til at nedbryde PET og blev offentliggjort i marts 2018 i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Undersøgelsen bygger på en opdagelse i 2016 af Yoshida et al. af en bakterie, Ideonella sakaiensis 201-F6, der lever af PET-plast som sin kilde til kulstof og energi. Det PNAS undersøgelsesforfattere fokuserede på bakteriens plastiknedbrydende enzym, kaldet PETase. Teammedlemmer ved University of Portsmouth, ledet af professor John McGeehan, brugt røntgenkrystallografi ved Diamond Light Source i Storbritannien til at løse den højopløselige krystalstruktur af PETase.

"Vi brugte derefter computersimuleringer til at forstå, hvordan en polymerligand som PET ville være i stand til at binde til enzymet, " sagde undersøgelsens medforfatter Gregg Beckham, seniorforsker og gruppeleder ved US National Renewable Energy Laboratory (NREL). "Vi udførte også eksperimentelt arbejde for at vise, at PETasen kan nedbryde vand- eller sodavandsflasker, industrielt relevante PET-film, og en anden plastik, polyethylenfuranoat."

Efter at have udført dette arbejde på strukturen og funktionen af ​​PETase-enzymet, Forfatterne forsøgte derefter at forstå dens udvikling og se på et lignende enzym, en familie af cutinases, som nedbryder den voksagtige polymer cutin, der findes på overfladen af ​​planter.

"Vi udviklede den hypotese, at hvis vi gør PETase-enzymet mere som en cutinase, så burde vi gøre enzymet værre. Da vi udførte dette arbejde, faktisk endte vi med at gøre enzymet lidt bedre ved at gøre det, " sagde Woodcock.

"Det var utroligt overraskende for os, " forklarede Beckham. "Da vi gjorde det mere cutinase-agtigt, enzymet var beskedent forbedret. Det er faktisk et af nøgleaspekterne af, hvor beregning kom ind, fordi det tillod os i det væsentlige at forudsige eller foreslå aromatisk-aromatiske interaktioner i enzymet med den aromatiske polyester PET kunne potentielt være ansvarlig for dets forbedrede aktivitet. Men det var noget af en overraskelse for os, " sagde Beckham.

Supercomputere gjorde det muligt for dem at tackle svære videnskabelige spørgsmål om PETase, såsom detaljerne om, hvordan det interagerer på en molekylær skala bundet til et substrat, noget uden for rækkevidden af, hvad der kunne bestemmes ved at kende dets krystalstruktur.

Forskerne benyttede sig af denne undersøgelse af beregningsressourcer fra XSEDE, Extreme Science and Engineering Discovery Environment, finansieret af National Science Foundation.

"At have adgang til XSEDE-ressourcer åbner virkelig muligheden for at være i stand til at modellere og være i stand til at studere, hvilken type storskala konformationel eller endda lokal, små strukturelle ændringer opstår som funktion af både binding til substratet og, desuden, hvad er de strukturelle ændringer de store eller lokale, strukturelle ændringer i små skalaer, der opstår i enzymet, efter at vi har lavet mutationerne. Det var en stor del af det, vi så på, " sagde Woodcock.

Woodcock forklarede, at de simulerede enzymets lange tidsskalaer ved hjælp af Chemistry at Harvard Macromolecular Mechanics (CHARMM) kraftfelt og programmerer sig selv, samt Nanoscale Molecular Dynamics (NAMD) software.

XSEDE tildelte Gregg Beckham-tildelinger på Stampede1- og Stampede2-systemerne på Texas Advanced Computing Center (TACC) og på Comet-systemet på San Diego Supercomputer Center (SDSC).

"Vores oplevelse til dato på Stampede2 har været helt vidunderlig, " sagde Beckham. "For alle de koder derinde, som vi bruger, det har været en fantastisk maskine. Vi kommer hurtigt igennem køerne. Vi producerer en masse fantastisk videnskab på tværs af spektret af, hvad vores grupper laver sammen ved hjælp af Stampede2 lige nu. Sikkert, for forskningen i det plastnedbrydende enzym, vi bruger det til manuskripter og undersøgelser fremover om det samme emne."

"En god ting ved Comet, " sagde Woodcock, "er det du har, for job, som du har brug for at komme igennem på en måde med høj gennemstrømning, SDSC har en delt kø, som giver dig mulighed for at indsende meget mindre job, men gøre det på en meget høj gennemstrømningsmåde, da de kan dele kerner på noderne hos Comet. Dette var særligt nyttigt."

Begge forskere var enige om, at beregning hjælper med at gøre videnskabelige opdagelser. "Eksperimentalister og beregningsforskere arbejder stadig oftere hånd i hånd, " sagde Woodcock. "Og uden adgang til ressourcer som denne, dette ville virkelig tage os et skridt tilbage, eller flere skridt tilbage i at producere det højeste niveau af videnskab og virkelig være i stand til at løse verdens mest udfordrende problemer, hvilket er, hvad vi gjorde i denne særlige undersøgelse, gjort ved at samarbejde med eksperimentelle grupper på topniveau som vores samarbejdspartnere i Storbritannien og med os her i USA."

Beckham sagde, at deres arbejde lige er begyndt med enzymer, der renser plastikforurening. "Vi er lige begyndt at forstå, hvordan dette enzym har udviklet sig, " sagde Beckham. Han ønsker at bruge beregninger til at drage fordel af store databaser af genomik og metagenomics på enzymer til at finde nålene i høstakken, der kan nedbryde plast.

"Også den anden ting, som vi er interesserede i, " sagde Beckham, "er, hvis vi er i stand til at gøre dette ved meget højere temperaturer, der ville være i stand til at accelerere nedbrydningen af ​​PET og få os ind i riger, der potentielt kunne være industrielt relevante i forhold til at bruge et enzym til at nedbryde PET og derefter omdanne det til materialer med højere værdi, hvilket kunne tilskynde til højere genvindingsrater, især i udviklingslandene, hvor masser af plastikaffald går i havet."

Lee Woodcock ser nye beregningsteknikker som en game-changer i modellering af ikke-lægemiddellignende kraftfelter, der tackler polymerinteraktioner mere realistisk, end CHARMM og NAMD kan i dag. "Jeg arbejder sammen med kolleger hos NREL om at sikre, at vi kan forbedre kraftfelterne på en meget hurtig måde, så hvis nogen kommer ind og siger, at vi skal se på denne polymer næste gang, vi har tillid til, at vi kan sammensætte en modelleringsstrategi på meget kort tid for at få den hurtige vending, når vi skal modellere mange forskellige polymerer.

Forskerne håber, at deres arbejde en dag vil gøre verden uden for laboratoriet til et bedre sted. "At forstå, hvordan vi bedre kan designe processer til at genbruge plastik og genvinde dem, er et alvorligt globalt problem, og det er noget, som det videnskabelige og ingeniørmiljø er nødt til at komme med løsninger på, " sagde Beckham.

Studiet, "Karakterisering og konstruktion af en plastisk-nedbrydende aromatisk polyesterase, " blev offentliggjort i marts 2018 i Proceedings of the National Academy of Sciences . Forfatterne er Harry P. Austin, Mark D. Allen, Alan W. Thorne, John E. McGeehan fra University of Portsmouth; Bryon S. Donohoe, Rodrigo L. Silveira, Michael F. Crowley, Antonella Amore, Nicholas A. Rørrer, Graham Dominic, William E. Michener, Christopher W. Johnson, Gregg T. Beckham fra National Renewable Energy Laboratory; Fiona L. Kearns, Benjamin C. Pollard, H. Lee Woodcock fra University of South Florida; Munir S. Skaf fra University of Campinas; Ramona Duman, Kamel El Omari, Vitaliy Mykhaylyk, Armin Wagner fra Diamond Light Source, Harwell Science and Innovation Campus. Det Nationale Renewable Energy Laboratory Directed Research and Development Program finansierede undersøgelsen, med computertid leveret af Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) tildelingen MCB-090159.