酶法PET解聚：工程生物催化剂与高效塑料降解系统的综述

《Journal of Environmental Management》：Enzymatic PET depolymerization: a review of engineering biocatalysts and systems for efficient plastic deconstruction

　　

•本综述系统性地展示了PET生物升级再造的最新进展，批判性地评估了超过110种已表征PET水解酶的发现、结构与机制。•它评估了蛋白质工程所获得的标杆变体（DuraPETase、FAST-PETase、HotPETase、TurboPETase、LCC设计）实现近乎完全的PET解聚。•它详细阐述了将PET衍生的TPA和EG转化为超过25种高附加值产品的过程，以及技术经济壁垒和未来的前沿方向。

引言

PET是一种由TPA和EG衍生的半芳香族聚酯，广泛用于包装、纺织品和消费品领域，这得益于其机械强度、化学稳定性和阻隔性能（Sherigar等人，2025；Satta等人，2024）。2024年，全球塑料产量达到4.309亿吨，其中PET占据了相当大且不断增长的份额，这主要受新兴经济体的推动（Jovanovi?等人，2025）。然而，使PET具有价值的这些特性同时也使其在环境中具有持久性（Guo等人，2025）。整体塑料回收率不到9%，PET的特定回收率因地区而异（欧洲通常为10–30%，美国为5–10%）。大多数废弃物被填埋、焚烧或释放到环境中；碎片化为微塑料和纳米塑料，已在海洋、陆地甚至人体组织中被检测到，进一步加剧了开发有效管理策略的紧迫性（Zhou等人，2025a）。传统的机械回收导致降级回收，限制PET最多只能进行约六次再加工（Chen等人，2025a；Damayanti等人，2025）。化学回收（醇解、甲醇解、水解）可以回收单体，但其依赖高温（180–280°C）、高压、有机溶剂或腐蚀性催化剂，付出了巨大的能源和环境代价。这些局限性促使人们探索生物升级再造——一种变革性的方法，利用野生型或工程改造的生物催化剂在温和的水性条件下解聚PET（Zhou等人，2025a），并可进一步将产生的单体转化为具有与原生PET相当甚至更高经济价值的产品。

随着Ideonella sakaiensis 201-F6的分离，一个范式转变发生了，这种细菌能够利用PET作为其主要碳源和能源（Yoshida等人，2016）。这一菌株提供了第一个令人信服的证据，表明半结晶PET可以在环境条件下被降解——这通过IsPETase（PDB: 6ILW）和IsMHETase（PDB: 6QZ1）的协同作用，在30°C下将PET水解为TPA和EG——这一过程以前被认为是不可能的。这一开创性发现从根本上重塑了科学界对塑料难降解性的理解，并推动了全球PET水解酶的发现与工程化研究。随后的基因组挖掘和宏基因组调查大大扩展了已知的序列空间（Kumar等人，2025；Amornloetwattana等人，2026；Carr等人，2022），塑料活性酶数据库（PAZy）现已编目了超过110种具有生化活性的野生型PET活性酶（Buchholz等人，2022a）。生物信息学方法，特别是基于隐马尔可夫模型（HMM）的筛选（Méndez-Zamora等人，2024；Norton-Baker等人，2025a）和从头计算酶设计（Ding等人，2025a），进一步加速了这一扩展。代表性水解酶包括LCC（其工程变体可在24小时内实现超过90%的PET降解率）（Tournier等人，2020；Sulaiman等人，2012）、Bhr-PETase（通过环状结构重建实现87%的活性增强）（Wang等人，2025a），以及MG8（活性比某些早期酶高83倍）（Amornloetwattana等人，2026；White和Wallace，2023）。这些进展也伴随着密集的蛋白质工程运动，以增强酶的热稳定性、催化活性和底物范围（Tournier等人，2020；Wang等人，2025a；Han等人，2026）。并行的工程运动系统性地改善了热稳定性、催化效率和底物范围。结合半理性设计和定向进化的协同工程鉴定了环状突变（N114I/N205K/N233K/S269V），使IsPETase的催化效率提高了4.9倍，热稳定性提高了12.4°C20。LCCICCG-DM双突变体（H218S/F222I）在高负载量下24小时内实现了96%的PET转化率，大幅优于亲本酶（85%）（Wang等人，2026）。Bhr-PETase的计算环状重建产生了Bhr-NMT（Tm = 92.9°C，活性提高87%）（Wang等人，2025a）；将这些突变转移至LCCICCG和Kubu-PM12产生了变体，在具有工业相关负载量165 g kg?1下实现高达94%的转化率（Wang等人，2025a；Seo等人，2025）。

与酶促水解并行的是，合成生物学和代谢工程促进了复杂微生物细胞工厂的构建，这些细胞工厂能够吸收PET衍生的单体并将其转化为高价值化学品（Zhou等人，2025a；Wang等人，2025b）。通过利用工程微生物的代谢多样性，TPA和EG均被作为可再生碳原料加以利用，从PET废物中生产出超过25种不同的升级产品，包括生物聚合物（聚羟基脂肪酸酯）、平台化学品（顺丁烯二酸、己二酸）、特种化合物（香草醛、乙醇酸）和先进材料（Sherigar等人，2025；Mudondo等人，2023；Benton等人，2026；Diao等人，2023）。显著示例包括在工程改造的大肠杆菌中从1992 mg/L TPA生产658.55 mg/L香草醛（摩尔转化率71.1%）（Li等人，2024）；通过八基因途径首次实现PET到己二酸的一锅法生物升级再造（24小时内转化率79%）（Valenzuela-Ortega等人，2023）；以及工程改造Rhodococcus jostii RPET从消费后PET生产22.6 mg/L番茄红素和2.08 g/L脂质（Diao等人，2025a）。在化学解聚PET废物上进行分批补料培养新分离的红球菌属Rhodococcus sp. Ave7，产干重3.85 g/L，含有15.0 wt%聚羟基脂肪酸酯（PHA）和15.4 wt%三酰甘油（Rebocho等人，2025）。在P. putida KT2440中，实现了15.1 g/L β-酮己二酸（摩尔产率76%）和68%的PET到顺丁烯二酸的转化率（Zhou等人，2025a；Wang等人，2025b）。这些成就共同标志着PET生物升级再造从实验室中的奇趣演变为一个多功能平台，将塑料废物转化为有价值的资源，这凸显了微生物转化在循环经济中同时推进经济和环境目标的潜力。

生物信息学和人工智能（AI）同时改变了PET水解酶从自然和宏基因组来源的发现过程（Ali和Zhang，2024；Ogunlusi等人，2025a）。机器学习（ML）现已补充，在某些情况下甚至超越了传统的HMM搜索。例如，一个迭代式ML管道发现了超过400种推测的PETase，随后高通量筛选确认了91种此前未知的水解酶，其中几种在酸性条件下表现出与LCCICCG相当或更高的活性（Norton-Baker等人，2025b）。蛋白质语言模型（PLMs）进一步加速了发现；VenusMine，一个基于PLM的管道，鉴定了KbPETase，其熔解温度比IsPETase高32°C，催化效率优于FAST-PETase和LCC（Wu等人，2025）。利用AlphaFold的结构引导工作流程使LSPET4的发现成为可能，这是一种具有独特碳水化合物结合模块的水解酶，其工程变体的活性提高了38.8倍（Liu等人，2024），并阐明了来自南极链霉菌属Streptomyces sp.的SsPETase的结构决定因素（Kim等人，2025）。同时进行的AI辅助宏基因组挖掘，采用生成对抗网络和深度语言模型，发现了众多新的PET降解候选物（Jahanshahi等人，2025；Hong等人，2025），而整合了图神经网络和元学习的ML框架生成了在高温度下活性高达5.5倍的热稳定变体（Li等人，2026a）。深度学习算法甚至使从头设计全新的PET水解酶成为可能（Ding等人，2025b）。这些计算方法不仅仅是增量工具，而是从根本上加速生物催化剂发现与优化的变革性平台，预示着从"工程化我们所知的"到"发现我们尚未见过的"的范式转变（Xiong等人，2026）。

本综述对酶促PET解聚和生物升级再造的最新进展提供了批判性的叙述性综合。我们没有遵循带有PRISMA风格记录的正式系统综述方案，而是采用了全面的文献调查方法。本综述涵盖了2016年1月至2026年6月间发表的主要研究论文、综述和展望文章，重点关注报告PET水解酶定量性能指标或展示PET衍生单体生物转化的研究。我们优先考虑报告PET水解酶定量性能指标或展示PET衍生单体生物转化的研究。选题的纳入由我们对技术成熟度、工业相关性和科学新颖性的评估指导。最后，我们提出关于计算酶设计、合成微生物群落和串联化学-生物过程的前瞻性展望，概述了迈向可持续和循环PET经济的路线图。

章节摘要

PET水解酶的发现

最早有文献记录的PET水解酶是一种来自Cladosporium cladosporioides的角质酶，于1983年被描述，但其仅表现出中等程度的聚酯活性（Sato，1983）。随后来自Thermobifida fusca的角质酶（TfCut2）在升高温度下3周内实现了低结晶度PET薄膜40–50%的重量减少（Müller等人，2005）。特别是，来自真菌Humicola insolens的商业化角质酶HiC展示了非晶态PET薄膜的近乎完全解聚。

蛋白质工程策略增强PET解聚

密集的蛋白质工程系统性地解决了上述每一个速率限制因素，产生了催化性能显著提升的PET水解酶变体，这主要通过增强热稳定性、底物结合亲和力、多酶协同作用和全细胞生物催化来实现（Zhou等人，2025a）。

单体吸收途径概述

将PET衍生的TPA和EG转化为高附加值产品依赖于两条主要的代谢途径。TPA通常通过没食子酸经β-酮己二酸途径进行代谢，然后进入TCA循环或转向顺丁烯二酸、儿茶酚和己二酸等产品（Zhou等人，2025a；Balola等人，2024）。EG通过乙醇酸和乙醛酸中间代谢物进行代谢，可产生乙醇酸、乙醛酸和其他C2化合物（Balola等人）。

固定化和展示策略的比较评估

PET降解酶的固定化通过多种平台进行，每种方案在性能、成本和可扩展性之间呈现不同的权衡。磁性纳米颗粒固定化通过磁分离提供便捷回收和优异的重复使用性，以FAST-PETase/MHETase共轭物在四个周期中保持>80%活性且产品释放量增加2.5倍为例，然而纳米颗粒的高成本和合成可扩展性仍然是重大挑战。

未来前沿

尽管第5.4节确定的瓶颈描述了必须克服的挑战，但有四个前沿领域为推动PET生物升级再造的下一波创新提供了特别有前景的机遇。每个领域都代表了我们在塑料废物增值方面方法的范式转变，并且每个领域都有其自身需要通过聚焦研究努力来解决的挑战。

当前成就的综合

PET的生物升级再造已从实验室中的奇趣演变为一个多功能且快速成熟的平台，整合了酶促解聚和单体微生物转化。Ideonella sakaiensis PETase和MHETase的发现催生了全球性的研究努力，将PET水解酶的库扩展到超过110种已表征酶，并激发了蛋白质工程运动，这些运动显著增强了热稳定性、催化效率和底物范围。

CRediT作者贡献声明

Fei Liu：原创草稿撰写、方法论、调查研究、资金获取、数据整理。Tao Wang：原创草稿撰写、项目管理、方法论、调查研究、资金获取、概念化。Nan Li：方法论、正式分析、数据整理。Xiao-Huan Liu：原创草稿撰写、方法论、调查研究。Na Xu：审稿与编辑、验证、监督。Feng Zhu：审稿与编辑、可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢日照市自然科学基金（编号RZ2024ZR07）、山东省高校青年创新团队（中国，编号2022KJ102）和国家自然科学基金（编号32000194）的资助。

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