DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07709-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39020178
تاريخ النشر: 2024-07-17
المؤلف: Marie Guicherd وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخليق البوليمرات القابلة للتحلل وخصائصها
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة التحدي البيئي الحرج لإدارة النفايات البلاستيكية في نهاية عمرها، مع التركيز بشكل خاص على البلاستيك المشتق من البيولوجيا مثل أفلام حمض البولي لاكتيك (PLA). تقترح الدراسة حلاً جديدًا يتضمن تضمين إنزيمات تحلل PLA المستقرة حرارياً (PLAases) في مواد PLA، مما يسهل التحلل القابل للبرمجة من خلال التحلل المائي تحت ظروف الكومبوست المنزلية. حدد المؤلفون وهندسوا إنزيمين محليين من PLA، PAM وProteinT، تم عزلهم من كائنات حرارية، مما عزز نشاطهم في التحلل البوليمري بشكل كبير – حيث تحسن نشاط PAM بمقدار 4.5 مرة وProteinT بمقدار 80 مرة من خلال طفرات مستهدفة.
أظهر الإنزيم الأكثر فعالية، ProteinT FLTIER، استقرارًا حراريًا عاليًا (قيمة T_m تبلغ 79.4 °C) وتم دمجه بنجاح في أفلام PLA عبر عملية بثق عالية الحرارة. أظهرت أفلام PLA + MBs + ProteinT FLTIER خصائص تحلل حيوي ممتازة، حيث تفتت بالكامل خلال 20 إلى 24 أسبوعًا تحت ظروف الكومبوست المنزلية، واستوفت معايير الكومبوست الصناعية من خلال التحلل في أقل من شهر. بالمقابل، احتاجت الأفلام الضابطة بدون الإنزيم لأكثر من ثلاثة أشهر للتحلل الحيوي. تقدم هذه المقاربة متعددة التخصصات، التي تجمع بين هندسة الإنزيمات وكيمياء البوليمرات، استراتيجية قابلة للتطبيق لتعزيز تحلل PLA، مما يساهم في دورة كربونية مستدامة.
نقاش
في هذه الدراسة، تم عزل إنزيم جديد لتحلل PLA، يسمى PAM، من البكتيريا الحرارية Actinomadura keratinilytica T16-1. تم تصنيف الإنزيم كعضو في عائلة إنزيمات البروتياز السيرين S8، وأظهر نشاطًا كبيرًا في تحلل PLA، متفوقًا على الإنزيم المرجعي البروتياز K تحت ظروف مختلفة من درجة الحرارة ودرجة الحموضة. بشكل محدد، حقق PAM تحلل PLA يصل إلى 96% عند درجة حموضة 9.0 و45 °C، مقارنةً بـ 18% فقط للبروتياز K. كشفت التحليلات الهيكلية عن ثلاثي تحفيزي وموقع ربط الكالسيوم، مما ساهم في استقرار PAM الحراري ونشاطه.
لتحسين أداء PAM، تم استخدام هندسة قائمة على الهيكل، مما أدى إلى تطوير متغير PAM FLI، الذي أظهر زيادة بمقدار ست مرات في النشاط النوعي عند درجة حموضة 7.5 و45 °C. حافظ هذا المتغير على استقراره الحراري بينما حقق 90% من تحلل PLA بعد 24 ساعة تحت ظروف مثالية. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد إنزيم أكثر استقرارًا حراريًا، ProteinT، وتم هندسته لتحسين كفاءته التحفيزية، مما أدى إلى تطوير متغير ProteinT FLTIER، الذي أظهر قدرات تفوق في تحلل PLA وزيادة في الاستقرار الحراري. تم دمج الإنزيمات المهندسة في أفلام PLA، مما حسّن بشكل كبير من معدلات التحلل الحيوي مقارنةً بالضوابط، مما يظهر إمكاناتها في تطوير مواد صديقة للبيئة وقابلة للتحلل الحيوي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07709-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39020178
Publication Date: 2024-07-17
Author(s): Marie Guicherd et al.
Primary Topic: biodegradable polymer synthesis and properties
Overview
The research addresses the critical ecological challenge of end-of-life management for plastics, specifically focusing on biosourced plastics like polylactic acid (PLA) films. The study proposes a novel solution involving the embedding of thermostable PLA-degrading enzymes (PLAases) into PLA materials, facilitating programmable decomposition through hydrolysis under home-compost conditions. The authors identified and engineered two native PLAases, PAM and ProteinT, isolated from thermophilic organisms, enhancing their depolymerization activity significantly—PAM’s activity improved by 4.5-fold and ProteinT’s by 80-fold through targeted mutations.
The most effective enzyme, ProteinT FLTIER, demonstrated high thermostability (T_m value of 79.4 °C) and was successfully incorporated into PLA films via a high-temperature extrusion process. The resulting PLA + MBs + ProteinT FLTIER films exhibited excellent biodegradation properties, fully disintegrating within 20 to 24 weeks under home-compost conditions, and meeting industrial composting standards by degrading in less than a month. In contrast, control films without the enzyme required over three months for biodegradation. This interdisciplinary approach, merging enzyme engineering with polymer chemistry, presents a viable strategy for enhancing PLA degradation, contributing to a sustainable carbon cycle.
Discussion
In this study, a novel PLA depolymerase, named PAM, was isolated from the thermophilic bacterium Actinomadura keratinilytica T16-1. The enzyme, characterized as a member of the S8 serine protease family, displayed significant PLA depolymerization activity, outperforming the reference enzyme proteinase K under various temperature and pH conditions. Specifically, PAM achieved up to 96% PLA depolymerization at pH 9.0 and 45 °C, compared to only 18% for proteinase K. Structural analysis revealed a catalytic triad and a calcium-binding site, which contributed to PAM’s thermostability and activity.
To enhance PAM’s performance, structure-based engineering was employed, resulting in the PAM FLI variant, which exhibited a six-fold increase in specific activity at pH 7.5 and 45 °C. This variant maintained its thermostability while achieving 90% PLA depolymerization after 24 hours under optimal conditions. Additionally, a more thermostable enzyme, ProteinT, was identified and engineered to improve its catalytic efficiency, resulting in the ProteinT FLTIER variant, which demonstrated superior PLA depolymerization capabilities and enhanced thermal stability. The engineered enzymes were incorporated into PLA films, significantly improving biodegradation rates compared to controls, thus demonstrating their potential for developing environmentally friendly, biodegradable materials.