由日本靜岡大學(xué)綠色科學(xué)技術(shù)研究所的中村彰彥教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，成功設(shè)計(jì)出一種新型PET水解酶PET2-21M，顯著提高了瓶級聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料的生物降解性能。此外，與其密切相關(guān)的變體PET2-14M-6Hot也分別證明了其對PET/棉和PET/聚氨酯（PU）等混紡織物的高效降解能力。這一重大突破為應(yīng)對PET廢棄物回收這一全球緊迫挑戰(zhàn)提供了可持續(xù)且高效的解決方案。
PET作為廣泛應(yīng)用于瓶裝、紡織和包裝領(lǐng)域的合成聚合物，約占合成纖維市場的83%。雖然PET本身可回收，但傳統(tǒng)的機(jī)械回收方法往往會(huì)導(dǎo)致材料質(zhì)量下降，并且對于PET/棉、PET/PU等復(fù)雜混紡織物的回收存在一定的局限性?；瘜W(xué)回收雖能獲得高純度材料，但通常需要苛刻的反應(yīng)條件和對環(huán)境有害的試劑，從而限制了其實(shí)際可持續(xù)性。
相較之下，酶法回收因其能在較溫和的條件下將PET解聚為原始單體而成為一種頗具吸引力的替代方案。為提升PET2酶的降解效率，研究人員采用多維度工程策略：通過隨機(jī)與定向突變相結(jié)合，將7個(gè)新發(fā)現(xiàn)的有益突變與先前報(bào)道的PET2-7M變體整合，創(chuàng)制出高活性PET2-14M酶；繼而以另一種酶HotPETase作為結(jié)構(gòu)模板，通過增加表面正電荷增強(qiáng)底物結(jié)合、改造底物結(jié)合裂隙，開發(fā)出PET2-14M-6Hot；最終優(yōu)化獲得PET2-21M。該團(tuán)隊(duì)還在畢赤酵母宿主中實(shí)現(xiàn)PET2-14M-6Hot和PET2-21M的大規(guī)模生產(chǎn)，其中PET2-14M-6Hot在培養(yǎng)137小時(shí)后產(chǎn)量達(dá)691mg/L，且無糖基化誘導(dǎo)的異質(zhì)性。
與原始酶野生型PET2相比，PET2-21M表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的催化活性：小規(guī)模測試顯示其產(chǎn)物總收率提高約28.6倍；在300 mL反應(yīng)器中，60℃下24小時(shí)內(nèi)可降解95%商業(yè)瓶級PET粉末（20g/L），而基準(zhǔn)酶LCC-ICCG需在72℃最佳溫度下才能達(dá)到91%轉(zhuǎn)化率。在酶用量減半至2.5mg/L時(shí)，PET2-21M仍保持50%降解效率，近乎LCC-ICCG（26%）的兩倍。
更重要的是，PET2-21M在更高的底物用量（40g/L）條件下仍保持了其競爭優(yōu)勢。當(dāng)酶用量為10mg/L時(shí)，PET2-21M在60℃下實(shí)現(xiàn)了79%的轉(zhuǎn)化率，接近LCC-ICCG在其更佳溫度（72℃）下的95%轉(zhuǎn)化率。此外，當(dāng)酶用量降至5mg/L時(shí)，PET2-21M的表現(xiàn)仍然優(yōu)于LCC-ICCG，其轉(zhuǎn)化率高達(dá)44%，而LCC-ICCG僅為29%。PET2-21M在溫和溫度和較低酶用量下的優(yōu)異性能使其成為工業(yè)PET回收工藝中極具潛力的候選酶，有望大幅降低能耗和成本。
為了評估新型PET水解酶在紡織廢料中的回收潛力，研究人員將PET2-14M-6Hot與基準(zhǔn)酶LCC-ICCG在純PET纖維和紡織混紡纖維上的應(yīng)用進(jìn)行了比較。在60℃下，PET2-14M-6Hot在24小時(shí)內(nèi)從純PET纖維中生成了75.7 mM的降解產(chǎn)物，比在最佳溫度70℃下測試的LCC-ICCG提高了1.4倍。同樣，PET2-14M-6Hot在PET/棉 (65/35wt%) 混紡織物中也表現(xiàn)出更高的催化效率，生成了62.8mM的降解產(chǎn)物，而LCC-ICCG僅為46.7 mM，并且棉纖維的干擾極小。對于具有挑戰(zhàn)性的PET/PU（85/15wt%）混紡織物，兩種酶在高于PU玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg≈55°C）時(shí)均表現(xiàn)出活性降低。盡管如此，在50°C的較低反應(yīng)溫度下，PET2-14M-6Hot仍保持了較高的催化活性，生成了19.2 mM的降解產(chǎn)物，是LCC-ICCG在相同條件下獲得的8.2mM的兩倍多。這凸顯了PET2-14M-6Hot在處理傳統(tǒng)上難以進(jìn)行酶降解的復(fù)雜混紡織物方面的卓越能力。
研究結(jié)果證實(shí)，新型PET2酶家族在工業(yè)規(guī)模酶法回收領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。這些新型PET水解酶能在溫和溫度下高效降解各類PET廢棄物（包括高難度的混紡織物），為PET回收工藝提供了更廣泛的適用性和可持續(xù)性優(yōu)勢。
