江南大学吴敬、颜正飞团队开发新型「微生物-酶」系统

PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）是一种生活中常见的聚酯基塑料，经过数十年的发展目前已广泛用于包装、建筑、汽车、电子、医疗等众多领域，尤其是食品包装产业，这也是 PET 增长最快的领域。

由于 PET 具有高度的抗降解性，PET 塑料大量使用引发的环境问题愈发严重，随意丢弃的塑料瓶子、包装等在自然环境中积累造成土地、水体和海洋污染，对生态构成严重威胁。传统处理 PET 废弃物的方法（如填埋、焚烧等）会导致有毒气体释放并造成二次污染，相较之下，生物降解是一种更环保和可持续的方式。

围绕生物降解，虽然一些微生物能够完全降解 PET，但效率极低，降解速率仅有数克/年的水平，同时业界已鉴定出一些来源于微生物的 PET水解酶（如叶枝堆肥角质酶，LCC）能够降解 PET，但是仍有约 10 % 的 PET 不可生物降解，并且现阶段的降解成本较高。因此，通过工艺优化实现更低成本、完全降解PET 是一个亟待解决的挑战。

近期，江南大学生物工程学院吴敬、颜正飞团队基于微生物和酶的互补优势构建了一种能够完全降解 PET 的“嗜热微生物 - 酶”系统，能够在 360 g/L 的高 PET 负载水平下实现 100% 完全降解，为今后规模化降解 PET 提供了一种有效新策略。

目前，这项研究已经以“Complete degradation of PET waste using a thermophilic microbe-enzyme system”为题发表在International Journal of Biological Macromolecules上。

（来源：International Journal of Biological Macromolecules）

先前大量研究表明，相较于单独的微生物或酶处理，采用“微生物-酶”相结合的系统表现出更高的 PET 降解能力，然而这些系统的理想温度大都在 30 - 40 °C 之间，低于 PET 降解的最佳温度（60 - 75 °C），因此，嗜热微生物-酶（Thermophilic microbe-enzyme，TME）系统被认为更有利于 PET 的完全降解。尽管 PET 水解酶具有耐高温特性（ Tm > 65 °C），然而嗜热微生物的缺乏阻碍了高效 TME 系统的开发。

此前，吴敬、颜正飞团队在温泉中 PET 废弃物的生物膜上分离出五种嗜热 PET 降解微生物，分别鉴定为嗜热芽孢杆菌 JQ1、努比卤地无氧芽孢杆菌 JQ2、嗜热淀粉芽孢杆菌 JQ3、嗜热芽孢杆菌 JQ4 和努比卤地无氧芽孢杆菌 JQ5。

▲图｜新型 TME 系统降解 PET 机制（来源：International Journal of Biological Macromolecules）

在这项研究中，他们使用叶枝堆肥角质酶变体（ICCG）作为 TME 系统的酶，并筛选出一种与 ICCG 协同降解 PET 的理想嗜热微生物，嗜热淀粉芽孢杆菌 JQ3。

随后，他们用 JQ3 和 ICCG 构建出一种新型嗜热微生物-酶系统（TME），并进行一系列优化。他们采用酯键水解功能优先基因组挖掘（EGM）策略，发现了 JQ3 菌株的 6 种内源性 PET 水解酶，并在大肠杆菌中成功表达。

这些水解酶可以释放对苯二甲酸（TPA）作为 PET 的最终产物，并优先降解对苯二甲酸双羟乙酯（BHET）而不是单羟乙基对苯二甲酸酯（MHET），其中，羧酸酯酶 39_5 和 ICCG 能协同降解 PET，产生 50 μM 的 TPA，大于单个处理的总和（羧酸酯酶 39_5 为 1.9 μM，ICCG 为 15 μM）。

通过该新型 TME 系统对 PET 进行降解试验，他们发现在高 PET 负载水平（360 g/L）下实现了 PET 的 100 % 降解。

▲图｜在 TME 体系中对 PET 降解的表征（来源：International Journal of Biological Macromolecules）

除此之外，他们还在论文中指出，该 TME 系统的降解途径包括三个潜在的步骤，生物膜的形成、PET 的降解和PET 的利用。首先，嗜热淀粉芽孢杆菌 JQ3 在 PET 表面形成生物膜有助于将更多的 PET 水解酶（如 ICCG）固定在 PET 表面，为微生物和酶提供了稳定的微环境（如增强 pH 耐受性）；PET 水解酶相关基因的表达增加，产生了额外的酶进行随后的降解；由于微生物-酶的协同作用使 PET 表面出现裂纹并释放出可溶性 TPA；最后，这些可溶性产物被微生物作为碳源吸收并通过三羧酸循环进行代谢以支持生长，然后，新产生的微生物再起启动 PET 降解，重复这些步骤。

总的来说，这项研究基于 JQ3 和 ICCG 构建出一种高效、稳定、可控的新型嗜热微生物-酶系统，由于该系统成本较低且不需要调控 pH，在大规模降解PET 方面具有明显优势，此外，还揭示了这种新型系统中 PET 的降解途径并强调了微生物-酶协同作用的重要性。

▲图｜江南大学生物工程学院吴敬、颜正飞（来源：江南大学官网）

这篇论文共同通讯作者吴敬是江南大学生物工程学院教授、博士生导师，她课题组长期从事酶基因挖掘、功能优化及发酵制备关键技术的研究，并承担蛋白质工程、酶工程、高级分子生物学等课程的讲授工作；另一位通讯作者颜正飞是江南大学生物工程学院副教授，他课题组主要围绕微生物底盘的构建及代谢合成优化、新型工业酶挖掘、改造及功能评价等进行研究。

素材来源官方媒体/网络新闻

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