通过计算工程改造聚酯水解酶 PHL7，以在生物催化回收工艺中高效降解聚对苯二甲酸乙二醇酯

将塑料废料变为资源

我们大多数人每天都会使用塑料瓶和食品容器，但只有一小部分被回收，很多则滞留在填埋场或环境中。该研究探讨如何利用一种称为酶的专门蛋白来分解最常见的塑料之一 PET，以便其构成单元能够被反复利用。通过用计算工具重新设计天然酶，研究人员旨在帮助将混合塑料废料转变为真正的原材料，从而推动循环经济。

为什么 PET 瓶难以回收

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一种坚韧、透明的塑料，常用于饮料瓶、包装和纺织品。它的强度和耐用性使其有用，但也增加了处理难度。到 2020 年，只有约四分之一的塑料废料被回收，许多 PET 进入了陆地和海洋污染。一个有前景的解决方案是生物催化回收，其中酶将 PET 切割回其原始小分子，然后这些分子可被重新合成成新塑料，而无需额外开采石油。挑战在于，现实世界的回收需要能高速工作、在高温下稳定并且不依赖昂贵盐或脆弱条件的酶。

设计更强韧、更快速的酶

团队聚焦于一种名为 PHL7 的酶，最初在堆肥中发现，已知能在约 70 摄氏度下分解低结晶度 PET。然而，PHL7 在工业偏好的低盐溶液中会迅速丧失活性。研究人员使用名为 Rosetta PROSS 的计算程序，提出了数十处在氨基酸序列上的小改动，旨在在不扰动催化位点的前提下增强稳定性。他们分数轮构建了一系列变体，每一轮都测量酶在展开前能承受的温度以及其能消化的 PET 薄膜量。一些早期设计虽非常稳定但速度较慢，揭示了刚性与活性之间需要精心平衡的权衡关系。

微调分子机器

为理解为何某些改动有助或有害，研究人员解析了重新设计酶的高分辨率晶体结构，并进行了跟踪原子随时间运动的分子动力学模拟。许多增强稳定性的改动位于酶的表面，减少了先前需要高盐才能维持折叠的负电荷簇。其他关键改变发生在催化位点邻近，重新排列了埋藏的水分子和微妙的氢键，这些因素控制着催化三联残基如何对齐以切割 PET。通过选择性撤销位于活性位点附近的一些稳定性增强突变，并引入来自其他成功降解 PET 酶的理性选取突变，他们在保持新稳定性的同时恢复甚至提升了切割能力。

对新酶进行测试

表现最好的工程变体命名为 R4M6、R4M9 和 R4M10，带有多达 24 处突变，其熔解温度均高于约 90 摄氏度，远高于亲本酶。在 70 摄氏度的稀缓冲液中，它们的活性比原始 PHL7 高出 110 倍以上。与 ICCG、LCC-A2 和 TurboPETase 等领先的降解 PET 酶在不同温度和盐度条件下比较时，顶级 PHL7 变体在降解速率上可匹敌或接近最高水平，同时显示出更优的长期稳定性。在负载较重的生物反应器测试中，它们在一天内分解了约四分之三的 10% PET 混合物，明显优于 ICCG。经过优化的版本 R4M10-H185Y 在更苛刻条件下表现更好，在 24 小时内分解了超过 80% 的 20% PET 浆料。

这对未来回收意味着什么

对非专业读者来说，主要信息是研究人员已将一种天然的 PET 吃菌酶改造成在更现实回收条件下可用的坚固高效工具。这些重新设计的酶可以在更温和的条件下将 PET 温和切分为可重复使用的片段，同时消耗更少的盐和能量，而不是使用强烈化学品或高温将瓶子溶解。该研究还绘制出蛋白结构中哪些微小改变对稳定性和活性最为关键，为改进其他降解塑料酶提供了蓝图。如果将这些生物催化剂引入工业设备，有望推动社会更接近 PET 闭环利用——让昨日的包装成为明日的产品，而不向地球添加更多塑料。

引用: Blázquez-Sánchez, P., Gunkel, J., Useini, A. et al. Computational engineering of the polyester hydrolase PHL7 for efficient poly(ethylene terephthalate) degradation in biocatalytic recycling processes. Nat Commun 17, 4370 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70868-4

关键词: PET 回收, 降解塑料的酶, 酶工程, 生物催化, 循环塑料