导读

2023年4月，南京工业大学江凌教授团队在环境科学领域Top期刊《Journal of Hazardous Materials》（Q1，IF：13.6）发表题为“Development and characterization of a bacterial enzyme cascade reaction system for efficient and stable PET degradation”的研究性文章。南京工业大学生物与制药工程学院博士生王成勇为第一作者，江凌教授为唯一通讯作者，该工作获得国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和江苏省先进生物制造创新中心项目的支持。

微生物菌株和酶催化系统对PET降解做出了巨大贡献。然而，微生物在塑料降解过程中遇到了各种障碍。微生物需要经过生物膜的形成、胞外酶的分泌以及同化和矿化几个阶段实现PET的解聚。对于酶催化体系而言，酶活性还取决于聚合物的结晶性质和表面疏水性。此外，抑制性副产物的存在会阻碍反应速率，尽管可以通过由PET水解酶和MHETase组成的双酶系统来缓解反应速率。多酶级联体系是一种有效的方法，可以避免反应中间体积累引起的竞争性抑制，从而提高生物循环路线的整体性能。然而，游离酶的体系也存在各种缺点，包括纯化费用过高、稳定性降低、回收率降低以及高浓度情况下聚集导致活性下降。为了克服这些限制，本研究开发了一种用于PET生物降解的新型细菌酶级联反应系统（BECRS）。该系统利用E. coli Nissle 1917 (EcN)作为宿主细胞，成功表面展示了卷曲纤维的CsgA蛋白，碳水化合物结合模块（CBM3）和降解模块（PETase），以增强PET的吸附和降解。研究证明了CBM3和PETases在大肠杆菌表面的功能展示，以及全细胞生物催化剂多次重复使用而不会显著损失活性的能力。在优化的实验条件下，EC-F&CBM3体系对无定形PET薄膜的降解速率为3437±148 μg/（d*cm²），总产物释放量为14.6 mM。与MHETase偶联时，BECRS在肠道环境中对结晶PET微塑料的降解效率为21.40%，降解产物完全转化为TPA。该研究结果表明，BECRS体系为PET的有效生物降解提供了一种前瞻性策略。此外，BECRS的初步应用是多种多样的，特别是包括其在减轻PET微塑料对胃肠道毒性方面的影响。未来的研究工作将集中在克服其在水生生态系统中实施的障碍，以确保其在天然水系统中的功效。

图文赏析

图1 通过工程化EcN生产降解PET的胞外卷曲纤维

图2 全细胞体系对PET低聚物及PET薄膜的降解情况

图3 BECRS在人工肠道模拟系统下对商业化结晶型PET微塑料的降解情况