肉食植物分泌的天冬氨酸蛋白酶nepenthesin可高效降解PET和PBAT聚酯：新型生物酶在塑料回收中的应用

本研究首次发现肉食植物Nepenthes alata和Sarracenia purpurea的捕虫笼液体能高效降解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)，水解效率在添加活体黄粉虫(Tenebrio molitor)和茉莉酸(JA)时提升10倍。通过蛋白质组学锁定天冬氨酸蛋白酶nepenthesin为关键酶，分子对接证实其与聚酯结合能力(-7.7 kcal·mol-1)，重组酶实验显示其水解效果与Humicola insolens角质酶相当。该发现为塑料酶法回收提供了新型生物催化剂来源。

　　

全球每年产生超过3.5亿吨塑料垃圾，传统机械回收会导致聚合物链断裂，而化学回收又面临高能耗和污染问题。酶法降解因其温和条件和高特异性成为最具前景的解决方案，但目前已知的有效聚酯水解酶不足百种，且主要来自放线菌和真菌。自然界中，肉食植物通过分泌消化酶分解昆虫外骨骼获取营养，这种独特的生物机制尚未被开发用于塑料降解研究。

奥地利格拉茨大学(University of Graz)的研究团队创新性地将PET和PBAT薄膜置于Nepenthes alata和Sarracenia purpurea的捕虫笼中，发现5周内可释放1.61 mM对苯二甲酸(TPA)。通过添加生物刺激物（活体黄粉虫和茉莉酸），水解效率提升10倍。扫描电镜显示PBAT表面形成特征性空蚀，傅里叶红外光谱在1710 cm^-1处酯键吸收峰显著减弱。蛋白质组学分析锁定天冬氨酸蛋白酶nepenthesin-1（UniProt-ID: Q766C3），其在70%聚酯处理组中高丰度表达。分子模拟显示该酶通过D35/D237活性位点与聚酯芳香环形成π-堆叠（结合能-7.7 kcal·mol^-1），其水解机制与肽键切割类似——通过活化水分子进行亲核攻击。重组nepenthesin-1实验证实其降解PBAT效率（0.72 mM TPA）甚至超过H. insolens角质酶（0.28 mM），相关成果发表于《Scientific Reports》。

关键技术包括：1) 聚酯薄膜在捕虫笼中的原位培养系统；2) HPLC定量TPA释放量；3) 基于LC-MS/MS的蛋白质组学分析；4) 分子对接验证酶-底物相互作用；5) 重组酶活性验证。

水解效率分析

N. alata捕虫笼中PBAT/Tm_a/JA组TPA产量达1.61 mM，显著高于S. purpurea（p<0.001）。SEM显示PBAT产生垂直侵蚀，而PET呈现均匀降解模式，暗示不同水解机制。

蛋白质组学发现

比较Tm_a与Tm_d处理组，nepenthesin-1在83%对比组中持续高表达，其丰度与TPA释放量呈正相关（R²=0.89）。

分子机制验证

重组nepenthesin-1对p-NPB酯酶活性达794 U·mg^-1，72小时后仍保留20%活性。与PHL7角质酶相比，其结合PBAT的π-堆叠作用主要依赖F201/Y244残基。

该研究首次证实天冬氨酸蛋白酶家族具有聚酯水解活性，打破了角质酶/酯酶在该领域的垄断认知。捕虫笼作为新型酶源生态位的开发，为"生物勘探-酶工程"的塑料回收策略提供了范例。未来通过定向进化改造nepenthesin的底物特异性，有望实现工业化PET解聚应用。