基于半理性设计与全细胞催化的新型氨基甲酸酯降解酶Est03320工程改造及其应用研究

《World Journal of Microbiology and Biotechnology》：Engineering a novel carbaryl-degrading esterase from Bacillus velezensis for enhanced degradability via semi-rational design and whole-cell biocatalysis

本研究针对氨基甲酸酯类农药残杀威造成的生态健康风险，通过半理性设计获得突变体Est03320-L230G，其酶活性提升68.7%，半衰期延长至40.6小时，降解效率提高96.5%。进一步构建表面展示工程菌，实现连续5轮循环后仍保持83%活性的高效降解，为农药污染治理提供创新方案。

　　

氨基甲酸酯类农药残杀威(carbaryl)因滥用和不当处置对生态环境及健康构成严重威胁。本研究通过半理性设计与全细胞催化策略，对源自贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)的新型酯酶Est03320进行工程改造。系统发育分析显示该酶虽处于独立进化分支，但其催化结构域与已知残杀威水解酶CarH及毒死蜱降解酶MPH高度相似。

实验表明，纯化后的Est03320对短链对硝基苯酯(p-nitrophenyl esters)和残杀威具高水解活性，最适pH为6.5，最适温度25°C，动力学参数K_m为139.70 μM，V_max达29.47 μM/min。通过定点突变获得的Est03320-L230G突变体呈现三大突破：对底物p-硝基苯乙酸酯(p-nitrophenyl acetate)酶活性提升68.7%，25°C下半衰期从13.6小时延长至40.6小时，残杀威降解效率增强96.5%。

为构建全细胞催化剂，研究人员将突变酶与自转运蛋白EhaA融合，展示于工程化假单胞菌(Pseudomonas sp.)表面。该生物催化剂不仅能高效降解残杀威并实现矿化，在连续5轮降解循环后仍保持83%以上活性，显著提升了酶性能与可重复使用性，为农药污染治理提供了可持续解决方案。