2022年11月21日，天津大学生命科学学院王泽方教授课题组在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表题为“Biodegradation of Highly Crystallized Poly(ethylene terephthalate) Through Cell Surface Codisplay of Bacterial PETase and Hydrophobin”的研究论文，构建了一种工程化的全细胞酵母催化剂实现高结晶度PET（hcPET）的高效降解。此研究是该课题组在生态安全领域（PNAS,2021,33876762;PNAS, 2021,34620712；Nature Communications, 2022, 35338130）的又一重要进展。
聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)是一种在服装、包装、医药等领域广泛应用的塑料。然而PET因其极强的物理和化学稳定性，使得它在自然界中很难被降解。环境中大量累积的废弃PET，以及由其转变而成的PET微塑料已对全球生态安全和人类健康带来了严重威胁。因此，PET的循环回收利用越来越受重视，目前成为了全球范围内解决环境污染以及固体废弃物回收和循环利用的热点和重点问题。基于生物酶催化的生物法是一种相对较新且还在发展的PET降解回收技术，具有传统物理法工艺简单和化学法闭环降解等优点，它的核心理念是将PET分解为可重新利用的工业原料，以此减少或摆脱对石油基原料的使用，目前世界上多个国家对此技术已进行了大量战略投资。利用生物酶法催化降解低结晶度PET已经取得了长足进步，有些催化酶的应用已经到了半工业水平。但是对于高结晶度PET（用来制作可乐瓶、矿泉水瓶等食品级容器）的降解，目前发现的大多数降解酶都无能为力。
图1.酵母全细胞生物催化系统。（a）吸附模块疏水蛋白HFBI和降解模块PETase通过表面共展示技术固定到毕赤酵母细胞表面在100 ns的分子动力学模拟示意图；（b）共展示细胞接触角及示意图；（c）共展示细胞在疏水性PET表面的吸附；（d）最佳反应条件下共展示细胞和野生型PETase以PET为底物的周转率。
PETase是近年来发现的一种新型细菌来源PET降解酶，它可在常温条件下分解hcPET。此酶一经发现，就成为酶法降解PET的热点。虽然多种PETase的突变体已被设计构建，但针对hcPET的降解，都还处在较低水平。如何才能进一步提高PETase对于hcPET的降解效率呢？其实PET的酶降解是一个两步过程，第一步酶与底物PET结合，第二步酶催化水解底物。目前对于PETase降解过程的研究是分开进行的，研究大多集中在第二步如何提高其自身催化能力上。虽然也有少量的研究关注到了吸附过程对PETase降解的影响，但大都没有考虑吸附和降解二者的相互影响以及有机统一。为了解决这一问题，王泽方教授课题组通过合成生物学手段设计构建了一种工程化的酵母全细胞生物催化剂，模拟PETase水解底物过程中的吸附和降解两个步骤，以此来实现hcPET的高效降解（图1）。具体实验中，研究人员将人工设计的吸附模块疏水蛋白HFBI和降解模块PETase通过表面共展示技术固定到了毕赤酵母的细胞表面，并通过优化，实现了二者在酵母细胞表面的最佳组合（图1a）。研究结果表明，吸附模块提高了酵母细胞表面的疏水性（图1b），增加了其在疏水性PET表面的吸附（图1c）。测活结果显示，全细胞生物催化剂对hcPET（结晶度为45%）的转化率比野生型PETase提高约328.8倍（图1d）。同时，该全细胞催化系统也表现出了较高的稳定性，在10天长时间反应条件下，与野生型PETase对hcPET转化率0.003%相比，该全细胞催化剂将hcPET的转化率提高到约10.9%。最后，基于分子动力学模拟，该研究提出了全细胞催化系统降解hcPET的分子机制，即粘附模块的引入是该系统高效降解hcPET的关键（图2）。
此项研究提供了一种高效生物降解hcPET的策略，证明了表面展示系统的可塑性，通过在表面展示系统中引入不同的功能模块，可以大大提高其性能，对开发其它高性能协同表面展示系统具有重要的借鉴意义。
图2.全细胞催化系统水解hcPET示意图。首先，由于吸附模块HFBI的存在，共展示细胞迅速吸附到hcPET表面，且在hcPET上的吸附率接近100%。随后，降解模块PETase接触高结晶度PET的表面，并以顺式构象水解PET链，从而实现高结晶度PET的高效水解。
天津大学生命科学学院硕士研究生陈卓芝、段荣迪，副研究员肖云杰，硕士研究生魏漪为本文的并列第一作者，天津大学生命科学学院王泽方教授和天津大学精密仪器与光电子学院王艳艳副教授为论文的共同通讯作者，天津大学生命科学学院为本论文的第一通讯单位。生命科学学院祝诚副教授对本论文做出了重要贡献。参与单位为上海科技大学。晶体衍射数据收集得到上海同步辐射光源和国家蛋白质（上海）设施的帮助。本项研究得到了国家自然科学基金项目的支持。
原文链接如下：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34908-z
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