Directional-path modification strategy enhances PET hydrolase catalysis of plastic degradation

化学 酰化 水解酶 降级(电信) 水解 乙烯 角质酶 催化作用 有机化学 计算机科学 电信
作者
Xiaoqian Chen,Zhiyong Guo,Lei Wang,Zheng‐Fei Yan,Chang-Xu Jin,Qingsong Huang,Demin Kong,Deming Rao,Jing Wu
出处
期刊:Journal of Hazardous Materials [Elsevier BV]
卷期号:433: 128816-128816 被引量:55
标识
DOI:10.1016/j.jhazmat.2022.128816
摘要

Poly (ethylene terephthalate) (PET) is a widely used type of general plastic that produces a significant amount of waste due to its non-degradable properties. We propose a novel directional-path modification (DPM) strategy, involving positive charge amino acid introduction and binding groove remodeling, and apply it to Thermobifida fusca cutinase to enhance PET degradation. The highest value of PET degradation (90%) was achieved in variant 4Mz (H184S/Q92G/F209I/I213K), exhibiting values almost 30-fold that of the wild-type. We employed molecular docking, molecular dynamics simulations, and QM/MM MD for the degradation process of PET, accompanied by acylation and deacylation. We found that the distance of nucleophilic attack was reduced from about 4.6 Å in the wild type to 3.8 Å in 4Mz, and the free energy barrier of 4Mz dropped from 14.3 kcal/mol to 7.1 kcal/mol at the acylation which was the rate-limiting step. Subsequently, the high efficiency and universality of the DPM strategy were successfully demonstrated in LCC, Est119, and BhrPETase enhancing the degradation activity of PET. Finally, the highest degradation rate of the pretreated commercial plastic bottles had reached to 73%. The present study provides insight into the molecular binding mechanism of PET into the PET hydrolases structure and proposes a novel DPM strategy that will be useful for the engineering of more efficient enzymes for PET degradation.
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