Découverte et ingénierie rationnelle de la PET hydrolase dotée de propriétés à la fois mésophiles et thermophiles.

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4556 (2023) Citer cet article

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Les déchets excessifs de polyéthylène téréphtalate (PET) provoquent divers problèmes. Des recherches approfondies axées sur le développement d’hydrolases PET supérieures pour le biorecyclage du PET ont été menées. Cependant, les enzymes modèles utilisées dans l'ingénierie enzymatique se sont principalement concentrées sur l'IsPETase et la cutinase du compost de branches de feuilles, qui présentent respectivement des propriétés hydrolytiques mésophiles et thermophiles. Nous rapportons ici une hydrolase PET de Cryptosporangium aurantiacum (CaPETase) qui présente une thermostabilité élevée et une activité de dégradation du PET remarquable à température ambiante. Nous découvrons la structure cristalline de la CaPETase, qui présente une conformation distincte du squelette au niveau du site actif et des résidus formant la fente de liaison au substrat, par rapport aux autres hydrolases PET. Nous développons en outre une variante de CaPETaseM9 qui présente une thermostabilité robuste avec une Tm de 83,2 °C et une activité hydrolytique du PET 41,7 fois améliorée à 60 °C par rapport à CaPETaseWT. CaPETaseM9 décompose presque complètement la poudre de PET post-consommation transparente et colorée à 55 °C en une demi-journée dans un bioréacteur pH-stat.

Les plastiques sont des polymères synthétiques présentant des avantages de résistance chimique, de légèreté et de faible coût. Ils sont largement utilisés dans le monde depuis les années 1950 et sont devenus indispensables dans notre vie quotidienne1,2. Cependant, comme les plastiques ne se décomposent pas naturellement, des milliards de tonnes de déchets plastiques dans les décharges, flottant sur des îlots de déchets dans l'océan et dispersés sous forme de microplastiques ont conduit à une grave pollution mondiale3,4,5,6,7. Les gouvernements et les fabricants de plastique du monde entier sont conscients de ces problèmes, et la recherche et le développement axés sur les stratégies de recyclage chimique et biologique des déchets plastiques se sont accélérés ces dernières années8,9,10.

Le polyéthylène téréphtalate (PET), un polyester composé d'unités d'acide téréphtalique (TPA) et d'éthylène glycol, est un matériau d'emballage en plastique largement utilisé et relativement facile à recycler. Des études sur la dégradation biologique du PET ont été activement menées au cours des deux dernières décennies8,11,12,13. La technologie de biorecyclage du PET comprend l'hydrolyse du PET par des micro-organismes ou des enzymes et sa conversion en produits chimiques à haute valeur ajoutée, ce qui établit à terme une économie circulaire pour le PET11,14,15,16.

À ce jour, diverses enzymes capables d'hydrolyser le PET ont été découvertes et caractérisées biochimiquement et structurellement. En particulier, la PETase d'Ideonella sakaiensis 201-F6 (IsPETase) présente l'activité hydrolytique du PET la plus élevée à température ambiante et est considérée comme une enzyme prometteuse pour le traitement des déchets de PET17. En conséquence, diverses études d’ingénierie enzymatique sont actuellement en cours pour améliorer l’efficacité de l’hydrolyse du PET et la stabilité thermique de l’IsPETase, et des variantes présentant des performances améliorées ont été rapportées18,19,20,21,22,23,24. Récemment, une cutinase de compost de branches de feuilles (LCC) dérivée du métagénome, qui présente des propriétés thermophiles, a été découverte25. Sa variante s'est avérée présenter une activité élevée de dépolymérisation du PET dans un système de bioréacteur à 72 °C, ce qui en fait un candidat pour le recyclage biologique du PET26. De plus, des efforts sont déployés pour découvrir de nouvelles enzymes dégradant le PET, ainsi que des enzymes provenant de divers micro-organismes et métagénomes environnementaux, tels que les cutinases Thermobifida fusca (TfCut1,2)27, les cutinases Thermomonospora curvata DSM43183 (Tcur1278,0390)28, la bactérie HR29 (BhrPETase )29, Fusarium solani pisi (FsCut)30, Humicola insolens (HiC)31,32, PET233, PET533, PET633 et PHL734 ont été signalés. Et récemment, des hydrolases PET thermotolérantes ont été découvertes par l’exploration du génome en bioinformatique35.

Pour une application réalisable de l’hydrolyse enzymatique du PET, l’activité catalytique intrinsèquement élevée des hydrolases du PET est un facteur crucial comme point de départ. En outre, l’exploitation des propriétés thermophiles du PET hydrolase constitue également une stratégie efficace pour le développement d’hydrolases de PET supérieures, car un fonctionnement à haute température proche de la température de transition vitreuse du matériau PET est favorable aux performances de dégradation du PET . Ainsi, la découverte d’enzymes prometteuses dégradant le PET, possédant à la fois une activité catalytique élevée et des propriétés de thermostabilité élevées, est absolument nécessaire pour mieux comprendre la réaction de catalyse et élargir la portée des biocatalyseurs PET efficaces.