Een KAIST metabolic engineering onderzoeksteam heeft een moleculair mechanisme gevonden dat superieure afbreekbaarheid van polyethyleentereftalaat (PET) laat zien. Dit is het eerste rapport om de 3D-kristalstructuur van Ideonella sakaiensis PETase te bepalen en de nieuwe variant met verbeterde PET-afbraak te ontwikkelen.

Onderzoeksprojecten hebben gewerkt om de niet-afbreekbaarheid van materialen aan te pakken. Een Japans team heeft onlangs een polyethyleentereftalaat (PET)-afbrekende bacterie genaamd Ideonella sakaiensis geïdentificeerd voor de mogelijke afbraak en recycling van PET. Wetenschap anno 2016. Maar het gedetailleerde moleculaire mechanisme van PET-afbraak werd niet bepaald.

Het team onder leiding van professor Sang Yup Lee van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering en een ander teamteam onder leiding van professor Kyung-Jin Kim van de afdeling Biotechnologie van de Kyungpook National University voerden dit onderzoek uit. De bevindingen zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 26 januari.

Dit onderzoek voorspelt een speciaal moleculair mechanisme gebaseerd op de docking-simulatie tussen PETase en een PET-alternatief nabootsingssubstraat. Ze construeerden de variant voor IsPETase met verbeterde PET-afbrekende activiteit met behulp van structureel gebaseerde eiwittechnologie.

Verwacht wordt dat de nieuwe benaderingen in dit onderzoek kunnen bijdragen aan verder onderzoek naar andere enzymen die niet alleen PET maar ook andere kunststoffen kunnen afbreken, ook.

Na gebruik, PET veroorzaakt milieuverontreinigingsproblemen vanwege de niet-biologische afbreekbaarheid. conventioneel, PET wordt gestort op stortplaatsen, gebruik van verbranding, en soms recycling met behulp van chemische methoden, wat extra milieuvervuiling veroorzaakt. Daarom, zeer efficiënte PET-afbrekende enzymen en biobased, milieuvriendelijke methoden zijn wenselijk.

Onlangs, onderzoekers isoleerden een nieuwe bacteriesoort, Ideonella sakaiensis, die PET als koolstofbron kan gebruiken. De PETase van I. sakaiensis (IsPETase) kan PET met relatief meer succes afbreken dan andere PET-afbrekende enzymen. Echter, het gedetailleerde enzymmechanisme is niet opgehelderd, verdere studies belemmeren.

De onderzoeksteams onderzochten hoe het substraat aan het enzym bindt en welke verschillen in enzymstructuur resulteren in een significant hogere PET-afbrekende activiteit in vergelijking met andere cutinasen en esterasen. Op basis van de 3D-structuur en gerelateerde biochemische studies, ze hebben met succes de basis van de PET-afbrekende activiteit van IsPETase bepaald en andere enzymen voorgesteld die PET kunnen afbreken met een nieuwe fylogenetische boom. Het team stelde voor dat 4 MHET-groepen de meest geschikte substraten zijn vanwege een structurele spleet, zelfs met de 10-20-meren voor PET. Dit is zinvol omdat het de eerste docking-simulatie is tussen PETase en PET, niet zijn monomeer.

Verder, ze zijn erin geslaagd een nieuwe variant met veel hogere PET-afbrekende activiteit te ontwikkelen met behulp van een kristalstructuur van deze variant om aan te tonen dat de gewijzigde structuur PET-substraten beter accommodeert dan wildtype PETase, wat zal leiden tot superieure enzymontwikkeling en platformconstructie voor microbiële plasticrecycling.

Professor Lee zei:"Milieuvervuiling door kunststoffen blijft een van de grootste uitdagingen wereldwijd met de toenemende consumptie van kunststoffen. We hebben met succes een nieuwe, superieure PET-afbrekende variant met de bepaling van een kristalstructuur van PETase en zijn degraderende moleculaire mechanisme. Deze nieuwe technologie zal verdere studies helpen om meer superieure enzymen te ontwikkelen met een hoge efficiëntie bij degradatie."