基于结构聚类策略从堆肥宏基因组中挖掘酯键水解聚酯聚氨酯的类角质酶MhCulp3

本文通过AI辅助的蛋白质结构聚类技术，从堆肥宏基因组中成功挖掘出新型类角质酶MhCulp3，该酶能特异性水解聚酯聚氨酯(PU)的酯键而非氨酯键，为塑料废弃物(PET/PU等)的生物降解与循环利用提供了新方案。研究结合FTIR、SEM、HPLC-MS等多维技术验证其催化活性，并通过分子对接揭示其底物结合机制，凸显了三维结构聚类策略在挖掘低序列相似性功能酶中的独特优势。

　　

Highlight

本研究通过蛋白质结构聚类策略，从堆肥宏基因组中挖掘出对聚酯聚氨酯(PU)具有降解活性的类角质酶MhCulp3，其与已知角质酶的序列相似性仅14%-35%，但三维结构高度保守。

Structure clustering-guided mining of five novel cutinase-like enzymes

从堆肥宏基因组(PRJNA1272082)预测的206,207个非冗余蛋白编码序列中，我们以PAZy数据库141种聚酯水解酶为种子，通过Foldseek结构比对筛选出5个新型类角质酶候选蛋白。其中MhCulp3与模板酶LCC(PDB:4EBO)的TM-score达0.89，证实其具有典型的α/β水解酶折叠结构。

Discussion

MhCulp3虽不符合传统"40%规则"的序列相似性阈值，但其活性中心的催化三联体(Ser¹⁶⁴-His²⁴²-Asp²¹⁴)与典型角质酶高度一致。分子动力学模拟显示，该酶通过柔性盖子结构域捕获PU软段中的酯键，而刚性底物结合口袋则排斥硬段的氨酯键，这种底物选择性在塑料降解酶中罕见。

Conclusion

MhCulp3在30°C/pH 8.0条件下对pNPH(C₆)展现最高活性，能有效降解PU乳液(Impranil?DLN-SD)、薄膜(PCL-MDI)和泡沫(PEGA-TDI)。该发现为基于AI结构预测的塑料降解酶挖掘提供了范式，助力实现"酶法塑料循环"的绿色目标。