催化学报 ›› 2025, Vol. 71: 375-389.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60232-9

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提升未预处理聚对苯二甲酸乙二酯的酶法降解效率

曹玉峰a,e,1, 向腊a,1, Nikodinovic-Runic Jasminac, Maslak Veselind, 金建明b,*(), 梁朝宁a,*(), 唐双焱a,*()   

  1. a中国科学院微生物研究所, 微生物多样性与资源创新利用全国重点实验室, 微生物生理与代谢工程研究室, 北京 100101, 中国
    b北京工商大学, 北京市植物资源研究开发重点实验室, 北京 100048, 中国
    c贝尔格莱德大学, 分子遗传学和遗传工程研究所, 贝尔格莱德, 塞尔维亚
    d贝尔格莱德大学, 有机化学系, 贝尔格莱德, 塞尔维亚
    e中国科学院大学, 北京 100049, 中国
  • 收稿日期:2024-11-15 接受日期:2025-01-08 出版日期:2025-04-18 发布日期:2025-04-13
  • 通讯作者: * 电子信箱: tangsy@im.ac.cn (唐双焱), laraineliang@163.com (梁朝宁), jinjianming@btbu.edu.cn (金建明).
  • 作者简介:

    1共同第一作者.

  • 基金资助:
    中国科学院战略性先导科技专项(XDB0810000);国家重点研发项目(2021YFC2103901);国家自然科学基金(31961133016);中国科学院科研仪器设备研制项目(YJKYYQ20210032);中国博士后科学基金(2022M713331)

Improving enzymatic degradation of unpretreated poly(ethylene terephthalate)

Yufeng Caoa,e,1, La Xianga,1, Jasmina Nikodinovic-Runicc, Veselin Maslakd, Jian-Ming Jinb,*(), Chaoning Lianga,*(), Shuang-Yan Tanga,*()   

  1. aDepartment of Microbial Physiological & Metabolic Engineering, State Key Laboratory of Microbial Diversity and Innovative Utilization, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
    bBeijing Key Laboratory of Plant Resources Research and Development, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China
    cInstitute of Molecular Genetics and Genetic Engineering, University of Belgrade, Belgrade 11042, Serbia
    dDepartment of Organic Chemistry, University of Belgrade, Belgrade 11158, Serbia
    eUniversity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • Received:2024-11-15 Accepted:2025-01-08 Online:2025-04-18 Published:2025-04-13
  • Contact: * E-mail: tangsy@im.ac.cn (S.-Y. Tang), laraineliang@163.com (C. Liang), jinjianming@btbu.edu.cn (J.-M. Jin).
  • About author:

    1Contributed equally to the work.

  • Supported by:
    Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences(XDB0810000);National Key Research and Development Program of China(2021YFC2103901);National Natural Science Foundation of China(31961133016);Instrument Developing Project of Chinese Academy of Science(YJKYYQ20210032);China Postdoctoral Science Foundation(2022M713331)

摘要:

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是工程塑料之一, 由对苯二甲酸(TPA)和乙二醇以酯键连接而成, 广泛应用于容器、包装材料和纺织行业. 然而, 作为一种高耐久性和高抗性的材料, PET很难通过生物或化学过程降解, 从而造成严重的环境和健康问题. PET污染已成为全球性环境问题之一. 尽管近年来在提升解聚酶降解预处理PET(Goodfellow-PET, gf-PET)的效率方面取得了显著进展, 但在降解未预处理、高结晶度的PET材料方面, 相关研究与技术开发依然面临巨大挑战. 这类PET材料由于结晶度高, 结构稳定, 使得生物酶降解尤为困难. 鉴于此, 本文致力于通过迭代饱和突变策略, 定向进化叶枝堆肥角质酶LCC的突变体WCCG, 以期增强其对未预处理、高结晶度PET底物(结晶度高于40%)的降解效率.
为实现上述目标, 首先构建高效、精准的高通量筛选体系. 该体系专门针对PET降解产物设计, 能够快速识别并筛选出具有优异降解性能的酶突变体. 通过分子对接发现, WCCG的W243残基伸入底物结合沟中央, 并与底物的苯环间形成pi-pi堆叠. 这一强烈的相互作用导致底物方向发生扭转, 以“Z”形与WCCG结合. 考虑到底物结合位点间存在叠加或协同效应, 选择距离底物5 Å内的24个氨基酸残基进行迭代饱和突变. 通过七轮筛选和稳定性设计, 成功获得两个性能显著提升的酶突变体: WCCG-sup1和WCCG-sup2. 其中, WCCG-sup1对未预处理PET(结晶度为42.0%)表现出最高活性, 与WCCG相比, TPA产量提高4.2倍. WCCG-sup2对结晶度9.9%的gf-PET粉末表现出最高活性, 比WCCG提高3.2倍. 有趣的是, WCCG-sup1和WCCG-sup2分别对未预处理PET(结晶度为42.0%)和预处理的gf-PET表现出最高活性. 为了探究造成此差异的原因, 通过荧光法确定了底物对酶的吸附率. 在孵育2 h后, WCCG-sup1在未预处理PET上的吸附率为42%, 是WCCG的2.1倍、WCCG-sup2的1.3倍. 相比之下, WCCG-sup2对gf-PET粉末的吸附率最高. 结果表明, S241D突变导致酶易于吸附于未预处理的PET表面, 而无该突变的酶则更易吸附于预处理的PET表面, 说明对于相同结晶度的底物, 酶突变体的吸附率在PET降解中发挥着重要作用. 然而, 底物结晶度的差异仍是影响降解效果的主要因素. 为探索潜在应用, 比较突变酶降解其他合成聚酯(如聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚(醚-酯)弹性体)的能力, 其中WCCG-sup1表现出最高活性, 证明其在广泛降解合成塑料具有巨大潜力. 最后, 在72 ºC, WCCG-sup1仅需36 h即可完全降解商用未预处理PET包装盒(结晶度为16.1%), 这一成果在PET生物降解领域具有重要意义.
综上, 本研究从稳定性, 降解活性和酶吸附作用的角度, 为深入理解LCC的结构-功能关系提供了参考, 不仅有助于推动PET生物降解技术的发展, 更为未来开发更高效、更环保的PET降解酶提供了坚实的理论基础与实践参考.

关键词: 迭代饱和突变, 聚对苯二甲酸乙二醇酯降解效率, 底物吸附, 叶枝堆肥角质酶, 未预处理聚对苯二甲酸乙二醇酯

Abstract:

Although the efficiency of poly(ethylene terephthalate) (PET) degradation has been successfully improved by depolymerase engineering, mostly by using Goodfellow-PET (gf-PET) as a substrate, efforts to degrade unpretreated PET materials with high crystallinity remain insufficient. Here, we endeavored to improve the degradation capability of a WCCG mutant of leaf-branch compost cutinase (LCC) on a unpretreated PET substrate (crystallinity > 40%) by employing iterative saturation mutagenesis. Using this method, we developed a high-throughput screening strategy appropriate for unpretreated substrates. Through extensive screening of residues around the substrate-binding groove, two variants, WCCG-sup1 and WCCG-sup2, showed good depolymerization capabilities with both high- (42%) and low-crystallinity (9%) substrates. The WCCG-sup1 variant completely depolymerized a commercial unpretreated PET product in 36 h at 72 °C. In addition to enzyme thermostability and catalytic efficiency, the adsorption of enzymes onto substrates plays an important role in PET degradation. This study provides valuable insights into the structure-function relationship of LCC.

Key words: Iterative saturation mutagenesis, Poly(ethylene terephthalate) depolymerization efficiency, Substrate adsorption, Leaf-branch compost cutinase, Unpretreated poly(ethylene terephthalate)