近日，天津大学姚明东团队在 Synthetic and Systems Biotechnology发表了题为《Synergistic engineering PETase reveals loop-region mutations for enhanced catalytic activity and thermal stability》的研究论文。

研究背景

随着塑料生物降解体系的发现和研究，为塑料的绿色生物降解途径提供了基础。其中聚对苯二甲酸乙二醇酯 (Polyethylene terephthalate, PET) 水解酶的研究展现出较好好的工业化应用潜力。IsPETase（来源于Ideonella sakaiensis 201-F6的类角质酶）是目前发现的在常温下对PET降解效率最高的酶，本研究致力于挖掘新的突变位点并进行组合突变，构建高活性和高热稳定的PETase突变体，为PET降解酶的有效应用提供指导，推动PET生物降解体系的工业化应用。

研究成果

首先，本研究以半理性设计与易错PCR协同迭代的方法挖掘IsPETase的有益突变位点，获得了IsPETase的突变体文库。并利用SPpelB分泌表达系统和产物对应的A254的特征吸收光谱法，实现突变体的高效表达和高通量筛选。其中基于IsPETase同工酶序列保守性比对分析的半理性设计方案，获得有益突变位点N205和S269，并与已报道的IsPETase有益突变位点组合构建。获得的IsPETase二突变体M1(N233K/N205K) 催化活性与野生型相比提高了3.54倍；三突变体M2-1(N233K/N205K/S269Q) 和M2-2(N233K/N205K/S269V) 催化活性与野生型相比分别提高了4.35倍和4.24倍。另外基于易错PCR的酶定向进化方案，筛选得到N114I有益突变体。

随后，将N114I突变体与已鉴定的高活性三突变体组合，得到的四突变体M3-1(N233K/N205K/S269Q/N114I) 和M3-2(N233K/N205K/S269V/N114I) 催化活性与野生型相比分别提高了5.42倍和4.94倍，并且突变体M3-2的热稳定性显著增强，其Tm值与野生型相比提高了12.4°C。

结构分析显示，M3-2的底物结合槽与野生型相比有明显拓宽，更利于底物的结合；分子动力学计算曲线显示，M3-2具有更稳定的构型。

为了进一步探索新发现的四突变组合M3-2对IsPETase性能提升的通用性，本文将四突变组合整合到到已报到的三种高性能IsPETase突变体（FAST-PETase、PA-PETase和DepoPETase）中，分别构成新的突变体M4、M5和M6。实验结果显示，M4相较于FAST-PETase的酶活持久性、长效性更好；M5相比于PA-PETase的最适反应温度由40°C提高到45°C，并且催化活性提高了89%；M6相比于DepoPETase的催化活性也提高了68%。

综上，本研究挖掘的新的突变组合不仅可以提升IsPETase的性能，还可以与IsPETase的其他突变体整合，进一步优化酶的活性和热稳定性，对于创制更优良的双高PETase提供有效方案，推动PET塑料生物降解的工业化应用。

原文信息

Synergistic engineering PETase reveals loop-region mutations for enhanced catalytic activity and thermal stability

Yuxin Han, Shilong Xing, Mingzhu Ding, Ying Wang, Wenhai Xiao, Yixun Jiang, Mingdong Yao

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.synbio.2025.10.001

Synthetic and Systems Biotechnology是高质量国际开放获取期刊，创刊2016年。期刊覆盖合成生物学、系统生物学以及生物医药等领域。期刊现已被SCIE、EMBASE、PubMed Central、Scopus、CSCD等重要数据库收录。

• 2024 Impact Factor: 4.4; 位于Biotechnology & Applied Microbiology领域Q1区

• 2024 CiteScore: 7.2

• 位于《2025年中国科学院文献情报中心期刊分区表》生物学大类1区，Top期刊

• 入选2019年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目

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