研究人员设计出一种新型酶，可在温和条件下降解纯PET、PET/棉和PET/聚氨酯混纺织物

由日本静冈大学绿色科学技术研究所的中村彰彦教授领导的研究团队，成功设计出一种新型PET水解酶PET2-21M，显著提高了瓶级聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料的生物降解性能。此外，与其密切相关的变体PET2-14M-6Hot也分别证明了其对PET/棉和PET/聚氨酯（PU）等混纺织物的高效降解能力。这一重大突破为应对PET废弃物回收这一全球紧迫挑战提供了可持续且高效的解决方案。

PET作为广泛应用于瓶装、纺织和包装领域的合成聚合物，约占合成纤维市场的83%。虽然PET本身可回收，但传统的机械回收方法往往会导致材料质量下降，并且对于PET/棉、PET/PU等复杂混纺织物的回收存在一定的局限性。化学回收虽能获得高纯度材料，但通常需要苛刻的反应条件和对环境有害的试剂，从而限制了其实际可持续性。

相较之下，酶法回收因其能在较温和的条件下将PET解聚为原始单体而成为一种颇具吸引力的替代方案。为提升PET2酶的降解效率，研究人员采用多维度工程策略：通过随机与定向突变相结合，将7个新发现的有益突变与先前报道的PET2-7M变体整合，创制出高活性PET2-14M酶；继而以另一种酶HotPETase作为结构模板，通过增加表面正电荷增强底物结合、改造底物结合裂隙，开发出PET2-14M-6Hot；最终优化获得PET2-21M。该团队还在毕赤酵母宿主中实现PET2-14M-6Hot和PET2-21M的大规模生产，其中PET2-14M-6Hot在培养137小时后产量达691mg/L，且无糖基化诱导的异质性。

与原始酶野生型PET2相比，PET2-21M表现出显著增强的催化活性：小规模测试显示其产物总收率提高约28.6倍；在300 mL反应器中，60℃下24小时内可降解95%商业瓶级PET粉末（20g/L），而基准酶LCC-ICCG需在72℃最佳温度下才能达到91%转化率。在酶用量减半至2.5mg/L时，PET2-21M仍保持50%降解效率，近乎LCC-ICCG（26%）的两倍。

更重要的是，PET2-21M在更高的底物用量（40g/L）条件下仍保持了其竞争优势。当酶用量为10mg/L时，PET2-21M在60℃下实现了79%的转化率，接近LCC-ICCG在其更佳温度（72℃）下的95%转化率。此外，当酶用量降至5mg/L时，PET2-21M的表现仍然优于LCC-ICCG，其转化率高达44%，而LCC-ICCG仅为29%。PET2-21M在温和温度和较低酶用量下的优异性能使其成为工业PET回收工艺中极具潜力的候选酶，有望大幅降低能耗和成本。

为了评估新型PET水解酶在纺织废料中的回收潜力，研究人员将PET2-14M-6Hot与基准酶LCC-ICCG在纯PET纤维和纺织混纺纤维上的应用进行了比较。在60℃下，PET2-14M-6Hot在24小时内从纯PET纤维中生成了75.7 mM的降解产物，比在最佳温度70℃下测试的LCC-ICCG提高了1.4倍。同样，PET2-14M-6Hot在PET/棉 (65/35wt%) 混纺织物中也表现出更高的催化效率，生成了62.8mM的降解产物，而LCC-ICCG仅为46.7 mM，并且棉纤维的干扰极小。对于具有挑战性的PET/PU（85/15wt%）混纺织物，两种酶在高于PU玻璃化转变温度（Tg≈55°C）时均表现出活性降低。尽管如此，在50°C的较低反应温度下，PET2-14M-6Hot仍保持了较高的催化活性，生成了19.2 mM的降解产物，是LCC-ICCG在相同条件下获得的8.2mM的两倍多。这凸显了PET2-14M-6Hot在处理传统上难以进行酶降解的复杂混纺织物方面的卓越能力。

研究结果证实，新型PET2酶家族在工业规模酶法回收领域具有巨大的应用潜力。这些新型PET水解酶能在温和温度下高效降解各类PET废弃物（包括高难度的混纺织物），为PET回收工艺提供了更广泛的适用性和可持续性优势。