《Nature》伯克利徐婷：用纳米分散酶对聚酯进行近乎完全的解聚

【摘要】

成功地将酶和生物机械与聚合物连接起来，可以在塑料的制造、利用和处置过程中提供按需改性和/或可编程降解，但需要在具有大分子底物的固体基质中进行受控的生物催化。嵌入酶微粒会加速聚酯降解，但会损害宿主特性，并无意中加速了微塑料的形成，部分聚合物降解。

4月，加州大学伯克利分校华人学者徐婷教授团队表明，通过纳米级分散具有深层活性位点的酶，半结晶聚酯可以主要通过具有可编程延迟和材料完整性的链端介导的持续解聚进行降解，类似于聚腺苷酸化诱导的信使 RNA 衰变。通过设计酶-保护剂-聚合物复合物，使用具有表面暴露活性位点的酶来实现持续合成也是可行的。聚（己内酯）和聚（乳酸）酶含量低于 2%（重量）可在数天内解聚，在标准土壤堆肥和家用自来水中，聚合物到小分子的转化率高达 98%，完全消除了当前的需求在堆肥设施中分离和填埋他们的产品。

此外，嵌入聚烯烃中的氧化酶保持其活性。然而，烃类聚合物不像它们的聚酯对应物那样与酶紧密结合，并且产生的反应性自由基不能对大分子主体进行化学修饰。该研究为酶-聚合物配对和酶保护剂的选择提供了分子指导，以调节底物选择性和优化生物催化途径。结果还强调了对固态酶学进行深入研究的必要性，特别是在多步酶促级联中，以解决化学休眠的底物，而不会造成二次环境污染和/或生物安全问题。相关论文以题为Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes发表在《Nature》上。

主图

图 1：嵌入酶的生物催化降解聚合物。a、b，两种降解途径的示意图：塑料表面侵蚀与随机断链（a）和链端结合介导的持续解聚，当酶被纳米限制为与聚合物链端共定位于无定形域时（b）。

纳米分散脂肪酶加速PCL降解

图 2：PCL-RHP-BC-脂肪酶的表征和降解。a，b，具有均匀分布的荧光标记的 BC-脂肪酶（a）并与偏振光学显微镜图像（b）重叠的薄膜的荧光显微镜图像。c，透射电子显微镜(TEM)图像显示 RHP-脂肪酶在半结晶球晶中的掺入。d，RHP-BC-脂肪酶掺入前后PCL的应力-应变曲线。插图显示了拉伸试验之前（左）和之后（右）的 PCL-RHP-BC-脂肪酶狗骨样品。e，PCL-RHP-BC-脂肪酶样品的 SAXS 曲线，重量损失为 0、10、25%。插图显示了来自具有 50% 重量损失的样品的横截面扫描电子显微镜 (SEM) 图像。f，PCL-RHP-BC-脂肪酶在40 °C缓冲液中降解后形成的微塑料颗粒的荧光显微镜图像。

用于连续解聚的酶-聚合物共混物的设计

图 3：嵌入的 BC-脂肪酶通过链端介导的持续降解来解聚聚酯。a，PCL-RHP-BC-脂肪酶样品的剩余质量（蓝色实心圆）和结晶度百分比（黑色空心圆）作为 37 °C 缓冲液中降解时间的函数。b，凝胶渗透 表面侵蚀和 BC-脂肪酶限制降解后 PCL 样品的色谱 (GPC)。

RHP 调节酶稳定性

图 4：酶保护剂 (RHP) 与嵌入的酶相关联，以在熔体加工和热处理过程中保持活性以程序降解。a，熔融挤出的PCL-RHP-BC-脂肪酶长丝含有约 0.1wt%的脂肪酶，可在 40 °C 的缓冲液中在 36 小时内几乎完全转化为小分子。b，通过热处理对PCL-RHP-BC-脂肪酶降解进行编程。c，通过降解温度对 PCL-RHP-BC-脂肪酶降解进行编程。d，RHP 可以调节 PCL-BC-脂肪酶和 PLA-蛋白酶 K 中的解聚。e，含酶的 PCL（左）和 PLA（右）在 ASTM 标准堆肥中很容易分解。

参考文献：

doi.org/10.1038/s41586-021-03408-3