Structural and functional characterization and engineering of Antartic enzymes as potential biocatalysts for polyethylene terephthalate (PET) degradation

Abstract

El tereftalato de polietileno (PET) se ha convertido en uno de los principales residuos plásticos producidos a nivel mundial. En los últimos años se han descubierto microorganismos que poseen enzimas capaces de degradar el PET amorfo. La mayoría de estas enzimas son termófilas y presentan actividades óptimas de reacción entre los 60 °C y 70 °C, cerca de la temperatura de transición vítrea del PET. Posteriormente se descubrió una hidrolasa de poliéster en la bacteria mesófila Ideonella sakaiensis capaz de hidrolizar parcialmente el PET a 40 °C. En este trabajo, demostramos que hidrolasas de poliéster de las bacterias antárticas Moraxella sp. cepa TA144 (Mors1) y Oleispira antarctica cepa RB-8 (OaCut), descubiertas por técnicas bioinformáticas, hidrolizan el poliéster alifático policaprolactona y el poliéster aromático PET a una temperatura de 25 °C. Mors1 produce una reducción de peso de láminas de PET en el rango de las hidrolasas descritas previamente, constituyéndose así como la primera hidrolasa de PET psicrófila. El modelo estructural de Mors1 muestra que la composición de aminoácidos en el centro activo es similar al de sus homólogas termófilas y mesófilas. Además, el análisis metagenómico de muestras antárticas demostró que miembros de la familia Moraxellaceae portan genes que codifican otras potenciales hidrolasas de PET psicrófilas. Para mejorar la actividad de Mors1, se sustituyó un bucle altamente flexible del centro activo por el bucle equivalente de la enzima termófila LCC, lo que dio como resultado un aumento de 20 °C en la temperatura óptima de la actividad, así como un aumento de la actividad hidrolítica de PET de 4.8 veces. Simulaciones e dinámica molecular mostraron una ligera reducción en la flexibilidad en el centro activo de la enzima mutante, lo que sugiere que la actividad a temperaturas más altas se debe a una estabilización local del sitio activo. Estos resultados describen las primeras enzimas degradadoras de PET caracterizadas en organismos adaptados al frío y dan ideas sobre la relación entre la flexibilidad estructural, temperatura y actividad hidrolítica de PET de estas enzimas.