Открытие и рациональная разработка ПЭТ-гидролазы, обладающей как мезофильными, так и термофильными свойствами ПЭТ-гидролазы.

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4556 (2023) Цитировать эту статью

1652 Доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Чрезмерное количество отходов полиэтилентерефталата (ПЭТ) вызывает множество проблем. Были проведены обширные исследования, направленные на разработку превосходных гидролаз ПЭТ для биопереработки ПЭТ. Однако матричные ферменты, используемые в ферментной инженерии, в основном сосредоточены на IsPETase и кутиназе компоста листьев и ветвей, которые проявляют мезофильные и термофильные гидролитические свойства соответственно. Здесь мы сообщаем о ПЭТ-гидролазе из Cryptosporangium aurantiacum (CaPETase), которая проявляет высокую термостабильность и замечательную активность разложения ПЭТ при температуре окружающей среды. Мы раскрываем кристаллическую структуру CaPETase, которая демонстрирует отчетливую конформацию основной цепи в активном сайте и остатки, образующие щель для связывания субстрата, по сравнению с другими ПЭТ-гидролазами. Далее мы разрабатываем вариант CaPETaseM9, который демонстрирует надежную термостабильность с Tm 83,2 ° C и в 41,7 раза повышенную гидролитическую активность ПЭТ при 60 ° C по сравнению с CaPETaseWT. CaPETaseM9 почти полностью разлагает как прозрачный, так и окрашенный порошок бывшего в употреблении ПЭТ при температуре 55 ° C в течение полудня в биореакторе с pH-статом.

Пластмассы представляют собой синтетические полимеры, обладающие преимуществами химической стойкости, легкого веса и низкой стоимости. Они широко используются во всем мире с 1950-х годов и стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни1,2. Однако, поскольку пластик не разлагается естественным путем, миллиарды тонн пластиковых отходов на свалках, плавающих на островах мусора в океане и рассеянных в виде микропластика привели к серьезному глобальному загрязнению3,4,5,6,7. Правительства и производители пластика во всем мире знают об этих проблемах, и в последние годы ускорились исследования и разработки, направленные на стратегии химической и биологической переработки пластиковых отходов8,9,10.

Полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиэфир, состоящий из звеньев терефталевой кислоты (ТФК) и этиленгликоля, является широко используемым пластиковым упаковочным материалом и относительно легко поддается вторичной переработке. Исследования биологической деградации ПЭТ активно проводятся в последние два десятилетия8,11,12,13. Технология биопереработки ПЭТ включает гидролиз ПЭТ микроорганизмами или ферментами и его преобразование в химические вещества с высокой добавленной стоимостью, что в конечном итоге создает циклическую экономику для ПЭТ11,14,15,16.

К настоящему времени открыты и биохимически и структурно охарактеризованы различные ферменты, способные гидролизовать ПЭТ. В частности, ПЭТаза из Ideonella sakaiensis 201-F6 (IsPETase) проявляет самую высокую гидролитическую активность ПЭТ при температуре окружающей среды и считается перспективным ферментом для переработки отходов ПЭТ17. Соответственно, в настоящее время проводятся различные исследования ферментной инженерии для повышения эффективности гидролиза ПЭТ и термической стабильности IsPETase, и сообщалось о вариантах с улучшенными характеристиками18,19,20,21,22,23,24. Недавно была обнаружена метагеномная кутиназа компоста листьев и ветвей (LCC), которая проявляет термофильные свойства25. Его вариант продемонстрировал высокую активность деполимеризации ПЭТ в биореакторной системе при 72 °C, что делает его кандидатом на биологическую переработку ПЭТ26. Кроме того, предпринимаются усилия по обнаружению новых ферментов, разлагающих ПЭТ, а также ферментов различных микроорганизмов и метагеномов окружающей среды, таких как кутиназы Thermobifida fusca (TfCut1,2)27, кутиназы Thermomonospora curvata DSM43183 (Tcur1278,0390)28, Bacterium HR29 (BhrPETase). )29, Fusarium solani pisi (FsCut)30, Humicola insolens (HiC)31,32, PET233, PET533, PET633 и PHL734. А недавно с помощью геномного анализа в биоинформатике были обнаружены термотолерантные ПЭТ-гидролазы35.

Для практического применения ферментативного гидролиза ПЭТ решающим фактором в качестве отправной точки является присущая ему высокая каталитическая активность ПЭТ-гидролаз. Кроме того, использование свойств термофильной ПЭТ-гидролазы также является эффективной стратегией для разработки превосходных ПЭТ-гидролаз, поскольку работа при высоких температурах, близких к температуре стеклования ПЭТ-материала, благоприятствует характеристикам деградации ПЭТ36. Таким образом, открытие многообещающих ферментов, разлагающих ПЭТ, которые обладают как высокой каталитической активностью, так и высокими термостабильными свойствами, крайне необходимо для понимания катализной реакции и расширения области применения эффективных биокатализаторов ПЭТ.