自1950年代开始生产以来，全球塑料产量呈指数增长。塑料是一类注入了多种添加剂和填充剂的聚合物，它们可以直接影响微生物群落，发挥毒性作用，破坏宿主生物激素平衡和免疫系统。塑料污染已经成为人类面临的最紧迫的全球环境问题之一。生物酶具有较高的催化活性，特异性和无毒性，因此，可以广泛应用于塑料的降解。然而酶与塑料污染物的特定结合过程，氨基酸在降解过程中所起的作用难以通过实验直接分析，因此从分子水平上解析塑料的酶催化降解的机理，将有助于设计新的高效酶变体从而加速塑料的环境去除。本论文主要采用分子动力学(MD)和量子力学与分子力学联用的方法(QM/MM)研究了新型水解酶MGS0156对聚己内酯(PCL)的生物降解机理，以及水解酶IsPETase和IsMHETase级联催化降解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的机理，详细揭示了活性中心附近氨基酸的作用和影响，明确了反应过程中关键的速控步骤，初步提出了基于酶活性中心结构预测催化活性的研究手段，为设计更有效的可用于塑料回收的酶变体奠定了坚实的基础。
　　一、新型水解酶MGS0156对聚己内酯(PCL)的生物降解机理
　　酶MGS0156是从环境基因组中筛选的一类水解酶，可以有效降解多种商业塑料，例如聚己内酯、聚丙交酯等。本论文采用分子动力学，量子力学/分子力学联用方法，结合分子力学泊松-玻耳兹曼表面积(MM-PBSA)模拟揭示了MGS0156水解酶解聚聚己内酯的机理。通过系统地分析九种聚己内酯低聚物(从单体到十二聚体)与MGS0156酶的结合过程，发现较长的低聚物具有相对较强的结合能。QM/MM计算结果表明降解过程涉及两个基本步骤:催化三联体(Ser225、His528、Asp492)辅助的亲核攻击和C-O键裂解，而C-O键裂解是速控步骤，其平均势垒为15.7kcal/mol，与实验确定的kcat(1101s-1，对应于13.3kcal/mol)一致。对活性中心二十种氨基酸的静电影响分析指出His231和Asp237是潜在的突变靶标，可用于设计更有效的MGS0156突变体。
　　二、IsPETase和IsMHETase酶级联催化降解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)
　　聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是最具代表性的石油基合成聚合物之一，广泛应用于塑料瓶，包装材料和纺织工业中，然而其在自然环境中难以降解，容易吸附重金属等其他污染物，引起了严重的环境问题。本论文通过分子动力学和量子力学/分子力学方法，系统地研究了大阪伊德氏菌Ideonellasakaiensis中的两种酶系统IsPETase和IsMETase可以通过四个基本步骤将PET催化转化为对苯二甲酸(TPA)和乙二醇(EG)单体:(i)Ser-His-Asp引发的亲核攻击，(ii)C-O键裂解，(iii)水分子的亲核攻击，(iv)IsPETase/IsMHETase脱酰作用。基于二十个独立构象的统计结果发现步骤i和iv在确定IsPETase的速控步骤方面具有竞争，而步骤iv是IsMHETase的速控步骤，并在IsPETase的45％的构象中发现了一种新的“双质子穿梭”机制。另外本研究筛选并确定了影响酶催化作用的可能特征(键长，键角，二面角和电荷)，建立了活性位点特征和活化能之间的牢固关系，结合形变-相互作用，氢键网络和非共价相互作用(NCI)的分析结果加深了我们对IsPETase和IsMHETase催化能力起源的理解，有助于PET的回收利用。