综述：用于增强 PET 生物降解和升级回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯水解酶微生物表面展示技术的最新进展

《Bioresource Technology Reports》：Recent advances in microbial surface display of polyethylene terephthalate hydrolases for enhanced PET biodegradation and upcycling

　　

摘要
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的积累构成了重大的环境挑战，酶法解聚已成为传统回收方法的可持续替代方案。然而，游离 PET 水解酶的实际应用受到稳定性有限、效率低下和可重用性差的阻碍。微生物表面展示通过将酶锚定在细胞表面，实现性能增强的全细胞生物催化，提供了解决这一问题的有效途径。本综述总结了 PET 水解酶的最新进展，包括 PETase、cutinase、lipase、esterase 和 MHETase，重点强调其结构特征和工程策略。我们进一步讨论了噬菌体、细菌和酵母平台上的微生物表面展示系统，突出了它们在 PET 生物降解中的适用性。特别关注单酶和多酶展示策略，包括 PETase–MHETase 级联系统以及与疏水或粘附蛋白的共展示，这些策略通过空间组织和协同效应提高了催化效率。最后，概述了当前的挑战和未来展望，重点关注酶发现、蛋白质工程、系统优化以及与单体高值化利用的整合。本综述强调了微生物表面展示作为高效 PET 生物降解和升级回收的有前景平台。

引言
由于生产成本低、耐用性和轻量化特性，塑料已成为现代社会不可或缺的材料 (Goodes 等，2022; MacLeod 等，2021)。随着全球需求的不断增长，预计到 2030 年全球塑料年产量将达到 7 亿吨，到 2050 年将超过 12 亿吨 (Tournier 等，2023)。然而，消费后废物管理不足导致塑料废物在陆地和水生环境中广泛积累，在全球范围内造成了严重的生态和环境挑战 (Chae and An, 2018; Kazmi 等，2026; Liu 等，2025c)。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是使用最广泛的合成聚酯之一，由对苯二甲酸 (TPA) 和乙二醇 (EG) 的重复单元组成。由于其优异的物理化学性质，PET 已广泛应用于包装、纺织品和各种工业领域 (Geyer 等，2017; Qiu 等，2024)。然而，其高化学稳定性也导致了强环境持久性，引发了严重的塑料污染问题 (Qiu 等，2024)。传统的物理和化学回收方法通常能耗高，需要苛刻的反应条件，并可能产生二次污染物，从而限制了其可持续性。相比之下，PET 的生物降解作为一种环境友好且节能的替代方案，日益受到关注 (Tournier 等，2023)。

PET 的生物降解已从全细胞微生物过程发展到更明确的酶系统。早期研究主要依赖微生物对 PET 底物的直接作用。然而，由于细胞代谢的复杂性，此类过程往往效率低下且可控性有限 (Amobonye 等，2021; Qiu 等，2024)。相比之下，酶法降解采用分离的 PET 水解酶，提供了改进的催化效率、特异性和机制清晰度 (Qiu 等，2024)。PET 水解酶通常催化 PET 中酯键的水解，生成单 (2-羟乙基) 对苯二甲酸酯 (MHET) 作为主要中间体，以及少量的双 (2-羟乙基) 对苯二甲酸酯 (BHET) 和 TPA。随后，MHETase 进一步将 MHET 水解为最终单体 TPA 和 EG (Yoshida 等，2016) (图 1)。

迄今为止，已鉴定出多种 PET 水解酶，包括 PETase、MHETase、cutinase、esterase 和 lipase (Yoshida 等，2016; Shirke 等，2018; Tournier 等，2020; Lu 等，2022; von Haugwitz 等，2022; Carniel 等，2017)。尽管取得了这些进展，游离 PET 水解酶的实际应用仍受到多种限制，如稳定性差、酶聚集、回收困难和可重用性有限 (Xue 等，2024a)，这限制了它们的工业可扩展性。例如，Gercke 等。(2021) 报告称，游离 PETase 在浓度高于 250 nM 时会出现浓度依赖性的聚集和活性丧失。为了克服这些挑战，微生物表面展示技术作为一种有效策略应运而生。与自然分泌的 PET 水解酶不同，迄今为止报道的大多数微生物表面展示的 PET 水解酶都是通过将与膜锚定蛋白融合进行基因工程改造的。在这种策略中，编码 PET 水解酶的基因与膜锚定蛋白进行基因融合，并在合适的宿主（如大肠杆菌或酵母）中表达。锚定结构域指导融合蛋白定位到外膜或细胞壁，从而将酶固定在细胞表面 (Li 等，2024; Liu 等，2025b; van Bloois 等，2011)。通常，这些锚定蛋白含有信号肽和膜结合结构域，有助于目标酶的易位和稳定的表面定位 (Yamashita 等，2024)。表面展示作为一种酶固定化形式，将 PET 水解酶空间限制在微生物细胞表面，从而限制分子间相互作用并减少浓度依赖性的聚集。这种效应可以改善酶的稳定性并帮助维持催化活性 (Gercke 等，2021)。此外，表面展示通过简单的细胞分离过程促进酶的回收和重用，消除了对复杂纯化步骤的需求。更重要的是，该策略允许多种酶的共定位，从而增强多酶系统中的协同催化效率 (Liu 等，2025b; Li 等，2024; John 等，2025)。

最近的研究证明了这种方法的可行性和有效性。例如，已经开发了基于大肠杆菌的工程菌株用于表面展示 PET 水解酶 (Romero-Orejon 等，2026)，而在热带假丝酵母和哈钦森胞杆菌中构建的多酶展示系统显示出改进的稳定性和可重用性，能够实现更高效的 PET 降解 (Song 等，2026; Zhang 等，2025b)。这些进展突显了微生物表面展示在 PET 生物转化中的巨大潜力。尽管取得了进展，但在开发表面展示的 PET 水解酶系统方面仍存在几个挑战。这些挑战包括表面展示的 PET 水解酶的展示密度和活性保留有限，对多酶级联的组装和空间组织的控制不足，展示的酶与高疏水性 PET 底物之间的相互作用效率低，以及与将全细胞生物催化剂放大用于实际塑料回收应用相关的困难 (Gulati and Sun, 2025; Xue 等，2024a; Romero-Orejon 等，2026; Tournier 等，2023)。此外，尽管取得了巨大进展，但仍缺乏对 PET 水解酶微生物表面展示平台的全面评估。因此，本综述系统地概述了 PET 水解酶和微生物表面展示技术的最新进展，特别强调它们的整合以增强 PET 生物降解。我们总结了 PET 水解酶的分类和特征、微生物表面展示系统的原理和类型，以及在不同宿主生物中 PET 水解酶单展示和共展示的最新发展。最后，讨论了未来展望和新出现的工程策略，以促进 PET 生物降解技术的工业应用和大规模实施。

章节片段
综述方法
为了确保文献的全面覆盖，相关出版物于 2026 年 6 月 1 日从 Web of Science 和 Scopus 数据库检索。搜索策略使用布尔运算符将 PET 水解酶相关关键词（"polyethylene terephthalate hydrolase"、"PETase"、"cutinase"、"MHETase"、"lipase"和"esterase"）与表面展示相关关键词（"surface display"、"bacterial surface display"、"yeast surface display"和"phage surface display"）结合。主要搜索

PET 水解酶的分类
PET 水解酶可广泛分为两类：(1) 主要 PET 解聚酶，包括 PETase 和 cutinase，直接裂解聚合的 PET 链；以及 (2) 辅助或下游酶，如 MHETase，以及某些 esterase 和 lipase，进一步水解可溶性中间体或对 PET 底物表现出有限的活性。这种功能区分提供了理解它们在 PET 生物降解中作用的重要依据，以及用于

微生物表面展示系统：分类、优势和基本应用
微生物表面展示通过与锚定基序融合将异源蛋白定位在细胞表面，从而实现直接的酶 - 底物相互作用和可重用全细胞生物催化剂的构建 (van Bloois 等，2011; Liu 等，2025b)。这些特性对于 PET 生物降解尤为有利，因为 PET 是一种不溶性聚合物，其降解通常受限于酶的可及性。根据宿主平台的不同，表面展示系统

PET 水解酶的表面展示：研究进展与应用
尽管在 PET 水解酶的发现和工程方面取得了重大进展，游离酶的实际应用仍受到聚集、稳定性有限、可重用性低以及与不溶性底物界面接触不足的限制 (Xue 等，2024a; Liu 等，2025a)。微生物表面展示通过将酶直接固定在细胞表面上，提供了一种克服这些瓶颈的有效策略，从而改善酶稳定性、增强酶 - 底物

酶法 PET 回收的技术经济评价与生命周期评估
技术经济分析 (TEA) 和生命周期评估 (LCA) 日益被用于评估 PET 回收技术的经济可行性和环境可持续性。比较分析表明，机械回收和醇解通常表现出更优越的经济和环境性能，而酶法回收、溶解和甲醇解往往产生质量更高的回收材料 (Uekert 等，2022)。这些发现突显了权衡

挑战与未来展望
酶介导的 PET 水解提供了一种可持续且环境友好的途径来缓解塑料污染。微生物表面展示的整合进一步解决了游离酶的关键限制，包括稳定性差、可重用性低和繁琐的下游处理。尽管取得了这些进展，几个关键瓶颈仍然阻碍大规模应用，例如对 hcPET 的降解效率不足，酶的环境适应性有限，

结论
微生物表面展示技术通过提高 PET 水解酶的操作性能、可重用性和底物可及性，同时避免酶纯化，为 PET 生物降解提供了一个有前景的平台。目前的研究表明，优化的表面展示可以增强全细胞 PET 解聚。PETase 和 MHETase 的共展示可以提高级联催化，与下游生物转化的整合可能能够实现更高效的塑料回收和

CRediT 作者贡献声明
Ruotong Wang：写作 – 初稿，可视化，调查。Qing Lu：写作 – 初稿，可视化，调查。Wenying Chen：写作 – 审阅与编辑。Lei Lu：写作 – 审阅与编辑，监督，概念化。Weidong Wang：写作 – 审阅与编辑。

未引用参考文献
Zhang 等，2025a

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能被认为会影响本文报告的工作。

致谢
这项工作得到了黑龙江省科技创新基地奖励计划 (JD25A010) 和中国黑龙江省龙江科技人才“春鹅"支持计划 (CYCX24023) 的支持。

Ruotong Wang|Qing Lu|Wenying Chen|Lei Lu|Weidong Wang
东北林业大学生命科学学院，哈尔滨，150040，中国