banner
Дом / Новости / Открытие и рациональная разработка ПЭТ-гидролазы, обладающей как мезофильными, так и термофильными свойствами ПЭТ-гидролазы.
Новости

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

Oct 13, 2023Oct 13, 2023

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

1136 Доступов

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 в области 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 показал 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.

40%) using I. sakaiensis PETase (Accession code: GAP38373.1) to query the model. Partial genes were removed from the retrieved sequences, and then sequences of the PETase candidates were randomly selected from the dataset. Multiple sequence alignment was performed using Clustal omega49. Phylogenetic reconstruction was performed via maximum likelihood (ML) using MEGA11 with the Dayhoff w/freq. model50,51. The tree with the highest log likelihood (−10401.10) is shown. Initial trees for heuristic search were obtained automatically by applying Neighbor-Join and BioNJ algorithms to a matrix of pairwise distances estimated using the JTT model, and then the topology with a superior log likelihood value was selected. Discrete gamma distribution was used to model evolutionary rate differences among sites (5 categories [+G, parameter = 1.6961]). The rate variation model allowed for some sites to be evolutionarily invariable ([+I], 4.28% sites). This analysis involved 27 amino acid sequences, and there was a total of 444 positions in the final dataset. Bootstrap values were obtained from 1000 replicates52. Sequence alignment of enzymes used in phylogenetic tree analysis was depicted as a graphical illustration using ESPript3 (Supplementary Fig. 1)53. Pairwise identity and similarity of the proteins were calculated using the Clustal omega method, and a sequence identity matrix was created using excel software./p>