Caracterização e engenharia de um sistema de duas enzimas para a despolimerização de plásticos

A poluição por plásticos representa uma crise ambiental global. Em resposta, os microrganismos estão evoluindo a capacidade de utilizar polímeros sintéticos como fontes de carbono e energia. Recentemente, foi relatado que Ideonella sakaiensis secreta um sistema de duas enzimas para desconstruir o poliéster tereftalato de polietileno (PET) em seus monômeros constituintes. Especificamente, a PETase de I. sakaiensis despolimeriza o PET, liberando produtos solúveis, incluindo mono(2-hidroxietil) tereftalato (MHET), que é clivado em ácido tereftálico e etileno glicol pela MHETase. Aqui, relatamos uma estrutura de MHETase com resolução de 1,6 Å, ilustrando que o domínio central da MHETase é semelhante ao da PETase, finalizado por um domínio de tampa. Simulações do itinerário catalítico preveem que a MHETase segue o mecanismo canônico de hidrolase de serina em duas etapas. A análise bioinformática sugere que a MHETase evoluiu a partir de esterases de ácido ferúlico, e duas enzimas homólogas mostraram apresentar turnover de MHET. A análise das duas enzimas homólogas e do mutante S131G da MHETase demonstra a importância deste resíduo para a acomodação de MHET no sítio ativo. Também demonstramos que a tampa da MHETase é crucial para a hidrólise de MHET e, além disso, que a MHETase não apresenta turnover de mono(2-hidroxietil)-furanoato ou mono(2-hidroxietil)-isoftalato. Uma relação altamente sinérgica entre PETase e MHETase foi observada para a conversão de filme amorfo de PET em monômeros em todas as concentrações não zero de MHETase testadas. Finalmente, comparamos o desempenho de proteínas quiméricas MHETase:PETase de diferentes comprimentos de linkers, que apresentam todas um turnover de PET e MHET melhorado em relação às enzimas livres. Juntas, esses resultados oferecem insights sobre o sistema de despolimerização de PET com duas enzimas e informarão esforços futuros na desconstrução biológica e reciclagem de plásticos mistos.