《Journal of Hazardous Materials》：Demystification of novel plastic-degrading enzymes identified from fungal genomes through integrated bioinformatics approaches
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本研究通過in-silico分析鑒定了Alternaria alternata等六種真菌中56個塑料降解相關酶（漆酶、脂酶、切粉酶、過氧化酶），并利用分子對接評估其降解能力，發現漆酶對聚苯乙烯等塑料的降解潛力最高，為未來生物降解技術提供新靶點。
Md. Darun Naim | Md. Nurul Haque Mollah | Ahmed Imtiaj
植物學系，生物科學學院，拉杰沙希大學，拉杰沙希 6205，孟加拉國
摘要
塑料污染威脅著人類生命，因為迄今為止只有9%的83億噸塑料被回收利用。真菌酶為這一危機提供了一個重要的、環保的解決方案。然而，關于不同真菌基因組中這些酶的信息仍然有限。為了研究這些蛋白質的功能，我們進行了多項“計算機模擬”分析，并通過分子對接技術評估了它們與常見塑料（LDPE、PVC、HDPE、PP、PS、PCL、尼龍、PET、DBP、DEP和BPA）的相互作用。利用BLASTp算法，并以AfLaccase、AnLipase、FoCutinase和AtPeroxidase作為查詢工具，從Aa、An、Ap、At、Fo和Pc的蛋白質組中鑒定出了56種Lac、Lip、Cu和Per蛋白。系統發育樹顯示了這些蛋白質不同的分類群。蛋白質的結構域表明它們具有降解能力。這些酶的細胞外定位表明它們可能是分解熱塑性塑料（TPs）的關鍵酶。GO IDs GO:0003824和GO:0016787，以及順式調控元件（如ERE、CGACG、BOXLCORE和CURECORE）表明它們具有催化功能。預計ApLac1、ApLac3、ApLip1和ApLip2基因在C16和lcAlk培養物中高度表達，由于它們的相似性，Lac和Lip基因可能具有相同的功能。在預測的蛋白質中，Cu（14個中的0個）< Lip（13個中的2個）< Per（11個中的5個）< Lac（18個中的14個）與BPA及其他熱塑性塑料的結合親和力≥-7 kcal/mol。Aa、An、Ap、At、Fo和Pc中的Cu < Lip < Per < Lac的活性位點面積和體積依次減小，這表明Lac可能具有較高的降解能力。本研究發現了潛在的酶，這些酶可能成為未來塑料降解實驗研究的寶貴資源。
引言
塑料因其出色的強度重量比、阻隔性能和易于成型而成為現代生活和眾多行業不可或缺的部分。它們被廣泛用于輕質包裝、耐用建筑材料、醫療設備、汽車零部件、電子外殼和農業薄膜，并有助于提高能源效率[1]。
自1950年以來，全球共生產了83億噸塑料，其中僅有9%被回收利用。截至2025年，熱塑性塑料（TPs）占塑料產量的82%，預計到2040年年廢棄物量將從2023年的350萬噸增加到2.5億噸[2]，由此造成的生態損失估計為130億美元，每年導致40萬水生生物死亡[3]、[4]、[5]、[6]。常見的熱塑性塑料包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）[7]、[8]。這些材料的壽命非常長；例如，HDPE瓶子可持續使用約58年，管道可達1200年[9]，塑料袋約100年[10]。
真菌能夠利用多種酶（如漆酶、脂肪酶、角質酶和過氧化物酶）代謝復雜的有機分子、外來物質和難降解的化學物質以獲取能量[11]。一些真菌種類表現出降解塑料的能力：黑曲霉可以降解PE、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、PS和LDPE[12]、[13]，黃曲霉可以降解PP、PE和PS[14]，土曲霉可以降解LDPE[15]，檸檬青霉可以降解LDPE[16]，尖孢鐮刀菌可以降解PP[17]，鏈格孢菌可以降解PE[18]。這些真菌存在于海洋和陸地生態系統中[19]、[20]、[21]、[22]，因此具有在各種環境中降解塑料廢物的潛力。
基于銅的漆酶氧化酶可以作用于PE、PP、尼龍、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）、鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）和雙酚A（BPA）等底物中的碳-碳鍵和碳-雜原子鍵，有效降低分子量并引發降解過程[23]、[24]、[25]。脂肪酶可以水解TPs中的酯鍵，如PET、3PET、聚氨酯（PU）、聚己內酯（PCL）、聚丁烯琥珀酸酯（PBSA）和聚丁烯琥珀酸PBS[26]。角質酶可以催化塑料（如PCL、PET、聚醚砜（PES）、PBS和PBSA）中酯鍵的水解，生成乳酸、乙二醇和對苯二甲酸等單體或寡聚物[27]、[28]。過氧化物酶可以促進碳-碳鍵和碳-氫鍵的自發氧化斷裂，尤其是在DBP、PE和BPA中[25]、[29]、[30]。
通過對基因或基因家族的全基因組鑒定，研究人員可以系統地研究它們的功能、結構、遺傳機制和進化過程[31]。計算方法加速了數百種潛在塑料降解酶的發現，使研究人員能夠優先選擇高優先級的候選酶進行實驗驗證。
塑料廢物對生物體構成了嚴重威脅。通過漆酶、脂肪酶、角質酶和過氧化物酶等酶的生物降解作用，為這些難以降解的熱塑性塑料提供了一個有前景、環保且經濟有效的解決方案[32]。盡管已知這些酶參與了塑料的分解過程，但它們的具體作用仍不甚明確。因此，全基因組研究可以提供關鍵的見解。本研究的目的是從選定的真菌蛋白質組中鑒定并表征這些酶，并評估它們在減少塑料污染方面的潛在作用。
數據來源和描述
為了研究鏈格孢菌（Aa）菌株“SRC1lrK2f” v1.0 [33]、黑曲霉（An）菌株“CBS 101883” v1.0 [34]、寄生曲霉（Ap）菌株“CBS 117618” [35]、土曲霉（At）菌株“NIH 2624” [36]、尖孢鐮刀菌（Fo）菌株“Fo5176” v1.0 [37]和檸檬青霉（Pc）菌株“UNK” v1.0的蛋白質組中的漆酶（Lac）、脂肪酶（Lip）、角質酶（Cu）和過氧化物酶（Per）蛋白，我們使用了Mycocosm數據庫中的蛋白質序列[38]、[39]
Aa、An、Ap、At、Fo和Pc的Lac、Lip、Cu和Per蛋白的鑒定和系統發育樹構建
我們使用得分最高的比對序列（表2）[文件S1），從Aa、An、Ap、At、Fo和Pc的蛋白質組中鑒定出了56種與AfLaccase、AnLipase、FoCutinase和AtPeroxidase相關的蛋白。為了便于展示，我們將鏈格孢菌（Aa）、黑曲霉（An）、寄生曲霉（Ap）、土曲霉（At）、尖孢鐮刀菌（Fo）和檸檬青霉（Pc）的漆酶、脂肪酶、角質酶和過氧化物酶蛋白分別命名為：AaLac、AnLac、ApLac
討論
本研究通過使用四種已充分研究的酶（AfLaccase、AnLipase、FoCutinase和AtPeroxidase）作為查詢工具，從Aa、An、Ap、At、Fo和Pc的蛋白質組中鑒定出了56種可能的塑料降解酶（漆酶、脂肪酶、角質酶和過氧化物酶，即Lac、Lip、Cu和Per）。我們進行了“計算機模擬”分析，包括保守結構域預測、亞細胞定位、基因本體論（GO）注釋、順式調控元件分析、表達譜分析和分子對接
結論
塑料污染威脅著人類生命，因為迄今為止只有9%的83億噸塑料被回收利用。真菌酶為這一危機提供了一個有前景的、環保的解決方案。在這項“計算機模擬”分析中，我們從Aa、An、Ap、At、Fo和Pc中鑒定出了56種候選的Lac、Lip、Cu和Per蛋白，表征了它們的結構和調控特性，并評估了它們在熱塑性塑料降解中的潛在作用。
CRediT作者貢獻聲明
Md Darun Naim：概念提出、方法設計、實驗研究、數據分析、圖表制作、可視化、初稿撰寫、審稿與編輯。
Md Nurul Haque Mollah：監督指導。
Ahmed Imtiaj：監督指導、概念提出、方法設計、審稿與編輯。
倫理聲明
本研究未涉及人類或動物實驗，因此不需要倫理聲明。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的利益沖突或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
我們感謝編輯和審稿人的寶貴意見，這些意見幫助我們提高了手稿的質量。本研究未獲得特定資助。
