北极假单胞菌MHET水解酶的计算机模拟与生化研究揭示低温MHET生物降解机制

本研究针对北极塑料污染问题，首次发现Pseudomonas sp. PAMC26590菌株在20°C低温条件下可降解58.33%的MHET（83 ng/mL），并通过基因组分析鉴定出MHET水解酶基因。重组酶在pH 8.0/25°C时降解率达79%，分子对接（ΔG=?6.67 kcal/mol）和MD模拟（ΔGbind=?65.42 kcal/mol）揭示了Ser199/His457/Asp416催化三联体的作用机制，为极地塑料污染治理提供新策略。

　　

塑料污染已成为全球性环境挑战，连人迹罕至的北极也未能幸免。据统计，全球每年生产约3000亿吨塑料，其中聚乙烯 terephthalate（PET）占比最高，但传统回收方法能耗高且效率低下。更严峻的是，现有PET降解酶多来自嗜热菌，需在接近PET玻璃化转变温度（65°C）才能有效工作，这极大限制了其在寒冷环境中的应用。

韩国极地研究所（KOPRI, Incheon, South Korea）的研究团队在挪威斯瓦尔巴群岛（S 78°54.720′, E 11°57.086′）分离到一株具有低温降解能力的Pseudomonas sp. PAMC26590。该菌株在20°C、pH 7.0的矿物盐培养基中，7天内可降解58.33%的MHET（83 ng/mL），展现卓越的冷适应特性。基因组测序显示其携带6.2 Mb环形染色体（GC含量60%），编码5287个基因，包括新发现的MHET水解酶基因（GenBank: WP_265385422.1）。重组表达的MHET水解酶在25°C/pH 8.0条件下活性达79%，分子对接揭示其通过Ser¹⁹⁹-His⁴⁵⁷-Asp⁴¹⁶催化三联体与底物强结合（ΔG=?6.67 kcal/mol），分子动力学模拟证实该结合构象稳定（ΔG_bind=?65.42 kcal/mol）。相关成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。

关键技术包括：1）北极菌株分离与低温培养优化；2）全基因组测序与功能基因注释；3）重组蛋白表达与酶活检测；4）同源建模与分子对接；5）500 ns分子动力学模拟与MM-GBSA结合自由能计算。

【基因组特征】

完成图级别基因组显示该菌含16个rRNA和64个tRNA基因，通过比较基因组学定位到MHET水解酶基因，其编码蛋白具有典型α/β水解酶折叠结构。

【生化特性】

在20°C低温下，野生菌对MHET的降解效率显著高于中温菌株（58.33% vs <30%），重组酶最适pH 8.0的特性与多数极地酶偏碱性特征一致。

【分子机制】

催化三联体与MHET形成氢键网络，辅以van der Waals作用稳定结合。MD模拟显示活性中心RMSD<1.5 ?，证实构象稳定性。

该研究首次证实Pseudomonas属在极地环境中的塑料降解潜力，其低温适应机制为开发极地专用生物修复制剂奠定基础。从应用角度看，该酶在20-25°C的活性使其可直接用于寒冷环境，避免传统酶制剂需加热的能耗问题。理论层面，研究揭示了极地酶通过增强结构柔性维持低温催化效率的分子规律，为理性设计冷适应酶提供新思路。