来自脂肪酶家族1.5的热稳定细菌酯酶能够降解可生物降解的聚酯PBAT和PBSA

《MicrobiologyOpen》：Thermostable Bacterial Esterases From Lipase Family 1.5 Degrade Compostable Polyesters PBAT and PBSA

本研究发现细菌来源的Lipase Family 1.5新型聚酯酶可高效降解可生物降解的PBAT和PBSA，但降解PET能力有限，其热稳定性为工业应用提供潜在价值。

　　本研究揭示了一个令人振奋的新发现：自然界中存在比已知的PET酶（PETase）更广泛的具有聚酯降解活性的酶类。这些酶主要来源于未被充分研究的细菌脂肪酶家族1.5（Lipase Family 1.5），它们不仅表现出聚酯降解能力，还具有良好的热稳定性，这为工业塑料回收提供了一种新的潜在解决方案。此前，科学家们主要关注于PET相关的酯酶，而这项研究则展示了细菌脂肪酶家族1.5中一些未被充分表征的成员同样具有降解聚酯的潜力，且不需要过多的蛋白质工程改造即可在工业环境中使用。

聚酯材料因其耐久性和低反应性而广泛应用于包装、纺织品、电子产品、容器等众多领域。然而，这些特性也使得聚酯材料难以自然降解，导致其在环境中的积累成为全球性问题。特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）因其广泛的使用而成为关注的焦点，但其疏水性和结晶性显著阻碍了水解过程，降低了其生物降解速率。相比之下，全脂肪族聚酯如聚己二酸/丁二酸丁二醇酯（PBSA）和脂肪族-芳香族共聚酯如聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）则被认为是“可堆肥”的材料，但其降解速率仍然受到物理化学条件和微生物活动的影响。因此，寻找具有更高催化效率的天然酶，成为实现聚酯化学回收的关键。

在自然界中，一些真菌和细菌已经展现出聚酯降解能力，并利用降解产物作为碳源。例如，一些酶如角质酶（cutinase）、脂肪酶（lipase）和酯酶（esterase）能够将聚酯分解为可溶性小分子，进而被微生物利用。这些酶的祖先可追溯至自然界的脂肪族聚酯和羧酸酯底物的降解过程，如植物表皮的角质层（cutin）和含芳香基团的合成聚酯（如PBAT）。因此，这些酶在进化过程中已经具备了降解聚酯的基本能力。

然而，已知的PET酶如Cl_EstA和Cl_EstB，以及PfL1（来自Pelosinus fermentans）虽然能够降解PBAT，但对PET的降解效率相对较低。为了进一步拓展这一酶类的应用范围，研究团队利用系统发育分析和序列相似性网络（SSN）方法，对脂肪酶家族1.5进行了全面研究。他们发现，该家族中存在多个未被表征的成员，这些酶不仅具备聚酯降解活性，还具有较高的热稳定性，能够在高于目标聚酯玻璃化转变温度（Tg）的条件下有效运作。

为了验证这些酶的活性和热稳定性，研究团队通过异源表达技术，在大肠杆菌（Escherichia coli）中表达了这些脂肪酶家族1.5的蛋白质。通过SDS-PAGE分析，他们确认了这些蛋白质的表达情况，并利用pNP底物（如pNP-乙酸、pNP-丙酸、pNP-丁酸等）进行了酯酶活性检测。结果表明，这些酶在不同温度下仍能保持较高的活性，尤其是Tl_Est47和Tl_Est64，它们在70°C和90°C下仍能保留超过10%的活性，显示出优异的热稳定性。

进一步的实验表明，这些酶在降解PBAT和PBSA方面表现出显著的活性，而对PET的降解能力则相对有限。这可能与PET的高结晶性和芳香性有关，使得其在较低温度下难以被酶有效分解。相比之下，PBSA作为一种全脂肪族聚酯，其较低的结晶性和较高的可溶性使其更易被这些酶降解。研究团队还发现，某些酶如Dt_Est、Gk_Est和Tl_Est64能够在100纳米浓度下在48小时内完全溶解5毫克/毫升的PBSA悬浮液，显示出巨大的工业应用潜力。

此外，研究团队还探索了不同温度对酶活性的影响。他们发现，提高反应温度有助于破坏某些聚酯的结晶结构，使聚合物链更易被酶接触和降解。例如，在70°C条件下，Dt_Est、Tl_Est47和Tl_Est64表现出与40°C相似的PBAT降解活性，而其他酶如PfL1和Cl_EstA则在高温下活性下降。这表明，这些酶的热稳定性不仅影响其在高温下的活性，还可能影响其在工业环境中的应用效率。

研究团队还开发了一种新的检测方法，用于评估PBSA的降解情况。由于PBSA降解产物中不含芳香基团，传统的紫外光谱法无法有效检测其降解产物。因此，他们采用了一种基于NAD+还原的实验方法，通过测量NADH+H+的吸光度来评估酶的活性。该方法在一定程度上能够反映PBSA的降解情况，尽管其定量能力有限，但可以作为初步筛选工具。

总的来说，这项研究不仅揭示了脂肪酶家族1.5中存在大量具有聚酯降解活性的酶，还展示了这些酶在热稳定性方面的优势。这些发现为未来的工业塑料回收提供了新的思路，即利用天然酶在不依赖大量蛋白质工程的情况下，实现高效的聚酯降解。此外，研究团队还强调，随着基因组数据的不断积累，未来有望通过人工智能和机器学习技术，快速筛选出更多具有类似特性的酶，从而推动可持续的塑料回收技术发展。