Descoberta e engenharia racional de PET hidrolase com propriedades mesofílicas e termofílicas de PET hidrolase

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4556 (2023) Citar este artigo

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O excesso de resíduos de tereftalato de polietileno (PET) causa uma variedade de problemas. Extensas pesquisas focadas no desenvolvimento de hidrolases de PET superiores para biorreciclagem de PET foram conduzidas. No entanto, as enzimas modelo empregadas na engenharia enzimática focaram principalmente na IsPETase e na cutinase do composto de ramos foliares, que exibem propriedades hidrolíticas mesofílicas e termofílicas, respectivamente. Aqui, relatamos uma hidrolase de PET de Cryptosporangium aurantiacum (CaPETase) que apresenta alta termoestabilidade e notável atividade de degradação de PET em temperatura ambiente. Descobrimos a estrutura cristalina da CaPETase, que apresenta uma conformação de estrutura distinta no sítio ativo e resíduos formando a fenda de ligação ao substrato, em comparação com outras hidrolases de PET. Desenvolvemos ainda uma variante CaPETaseM9 que exibe termoestabilidade robusta com uma Tm de 83,2 °C e atividade hidrolítica de PET 41,7 vezes melhorada a 60 °C em comparação com CaPETaseWT. CaPETaseM9 decompõe quase completamente o pó PET pós-consumo transparente e colorido a 55 ° C em meio dia em um biorreator pH-stat.

Os plásticos são polímeros sintéticos, com vantagens de resistência química, leveza e baixo custo. Eles têm sido amplamente utilizados em todo o mundo desde a década de 1950 e tornaram-se essenciais em nosso cotidiano1,2. No entanto, como os plásticos não se decompõem naturalmente, milhares de milhões de toneladas de resíduos plásticos em aterros, flutuando em ilhas de resíduos no oceano e dispersos como microplásticos levaram a uma grave poluição global3,4,5,6,7. Os governos e os fabricantes de plástico em todo o mundo estão conscientes destas questões, e a investigação e o desenvolvimento centrados em estratégias de reciclagem química e biológica de resíduos plásticos aceleraram nos últimos anos8,9,10.

O tereftalato de polietileno (PET), um poliéster composto por unidades de ácido tereftálico (TPA) e etilenoglicol, é um material de embalagem plástica amplamente utilizado e é relativamente fácil de reciclar. Estudos sobre a degradação biológica do PET têm sido ativamente conduzidos nas últimas duas décadas8,11,12,13. A tecnologia de biorreciclagem de PET inclui a hidrólise do PET por microorganismos ou enzimas e sua conversão em produtos químicos de alto valor agregado, o que acaba estabelecendo uma economia circular para o PET11,14,15,16.

Até o momento, várias enzimas capazes de hidrolisar o PET foram descobertas e caracterizadas bioquímica e estruturalmente. Em particular, a PETase de Ideonella sakaiensis 201-F6 (IsPETase) exibe a maior atividade hidrolítica do PET à temperatura ambiente e é considerada uma enzima promissora para o tratamento de resíduos de PET . Consequentemente, vários estudos de engenharia enzimática estão atualmente em andamento para melhorar a eficiência da hidrólise do PET e a estabilidade térmica da IsPETase, e variantes com desempenho melhorado foram relatadas18,19,20,21,22,23,24. Recentemente, foi descoberta a cutinase do composto de ramos foliares (LCC) derivada do metagenoma, que apresenta propriedades termofílicas . Sua variante demonstrou exibir alta atividade de despolimerização de PET em sistema de biorreator a 72 °C, tornando-o um candidato à reciclagem biológica de PET . Além disso, estão sendo feitos esforços para descobrir novas enzimas que degradam PET, e enzimas de vários microrganismos e metagenomas ambientais, como cutinases de Thermobifida fusca (TfCut1,2)27, cutinases de Thermomonospora curvata DSM43183 (Tcur1278,0390)28, Bacterium HR29 (BhrPETase )29, Fusarium solani pisi (FsCut)30, Humicola insolens (HiC)31,32, PET233, PET533, PET633 e PHL734 foram relatados. E recentemente, hidrolases PET termotolerantes foram descobertas pela mineração do genoma em bioinformática35.

Para uma aplicação viável da hidrólise enzimática do PET, a atividade catalítica inerentemente alta das hidrolases do PET é um fator crucial como ponto de partida. Além disso, explorar as propriedades termofílicas da hidrolase do PET também é uma estratégia eficiente para o desenvolvimento de hidrolases de PET superiores, porque a operação em alta temperatura próxima à temperatura de transição vítrea do material PET é favorável ao desempenho de degradação do PET . Assim, a descoberta de enzimas promissoras que degradam PET, que possuem alta atividade catalítica e altas propriedades de termoestabilidade, é fortemente necessária para fornecer informações sobre a reação de catálise e expandir o escopo de biocatalisadores de PET eficientes.