食品合成生物研究室刘松课题组发表在聚乙烯塑料降解方面取得新的研究成果

  近日，嘉兴未来食品研究院食品合成生物技术研究室刘松课题组在国际期刊Journal of Hazardous Materials（Q1，IF=12.2）在线发表了题目为“Ancestral sequence reconstruction of the prokaryotic three-domain laccases for efficiently degrading polyethylene”研究性论文（基于祖先序列重建挖掘可降解聚乙烯塑料的三域漆酶）2022级博士曾波为论文第一作者。

  聚乙烯（PE）塑料制品广泛应用于农业、医药和其他领域。然而，由于存在碳-碳键，聚乙烯很难自然降解。与其它氧化酶相比，漆酶降解PE的效率相对较高。本研究开发了一种新的途径挖掘具有PE降解能力的漆酶。在本研究中，通过祖先序列重建从23个细菌三域漆酶序列中生成并鉴定了9个祖先漆酶。除祖先漆酶Anc41外，其它祖先漆酶均能在60°C（pH 3.0或pH 7.0）降解低密度聚乙烯（LDPE）塑料，且无需对塑料进行预处理（加热、UV照射）和添加反应介体。其中，祖先漆酶Anc52在70°C和pH 7.0降解LDPE的效果最好。序列分析显示，Anc52与已报道可降解PE的漆酶具有较低的序列一致性(18%-41.7%)。为了进一步提高PE降解效率，Anc52（0.2 mg/mL）在90°C下催化反应14 h，PE塑料表面产生了更明显的褶皱和凹陷，其羰基和羟基指数分别达到2.08和2.05。随后，通过定点突变确定了Anc52对PE塑料降解效率至关重要的氨基酸残基S203和R288。分子动力学分析表明，氨基酸残基S203和R288可能参与了该酶催化活中心三铜簇的稳定化。此外，研究还发现在pH为7.0进热处理（70°C和90°C），Anc52具有明显的热激活现象；热激活后的Anc52具有较高的催化效率（kcat/Km= 191.73 mM-1·s-1）和热稳定性（70°C时的半衰期为13.70 h）。综上所述，本研究通过祖先序列重建获得了具有明显的PE塑料降解能力祖先漆酶。

表1 在不同条件下漆酶对PE塑料生物降解的效果

图1 在pH 7.0下，Anc52及突变体处理的LDPE塑料SEM图像

图2  Anc52在pH 3.0和7.0下的热稳定性

漆酶可以催化氧化超200多种不同类型的物质，广泛应用于食品、纺织、造纸等行业。在食品工业中，主要做蛋白质交联用酶，可应用于酸奶、冰激淋、牛肉罐头等产品，还可以做饮料澄清剂和加入到啤酒中延长货架期；漆酶在造纸业，可以氧化木质素，通过基团的转换使木质素聚合从而有利解聚，从而加速造纸过程中的生物漂白过程；在纺织业漆酶可以降解蒽醌染料、偶氮染料和三苯甲烷类染料，而且脱色率高、活性持久、利用率高。本研究显著提升了祖先漆酶的热稳定性，提高了酶活性，显著拓宽了生物酶在工业环境的应用场景，为企业降本增效和环境友好提供更佳选择。

图3  漆酶在工业中的应用场景