Une équipe de recherche en ingénierie métabolique de KAIST a découvert un mécanisme moléculaire montrant une dégradabilité supérieure du polyéthylène téréphtalate (PET). Il s'agit du premier rapport à déterminer la structure cristalline 3-D de la PETase d'Ideonella sakaiensis et à développer la nouvelle variante avec une dégradation améliorée de la PET.

Des projets de recherche se sont penchés sur la non-dégradabilité des matériaux. Une bactérie dégradant le polyéthylène téréphtalate (PET) appelée Ideonella sakaiensis a récemment été identifiée pour la dégradation et le recyclage possibles du PET par une équipe japonaise qui a publié des résultats dans Science en 2016. Cependant, le mécanisme moléculaire détaillé de la dégradation du PET n'a pas été déterminé.

L'équipe dirigée par le professeur Sang Yup Lee du Département de génie chimique et biomoléculaire et une autre équipe dirigée par le professeur Kyung-Jin Kim du Département de biotechnologie de l'Université nationale de Kyungpook ont ​​mené cette recherche. Les résultats ont été publiés dans Communication Nature le 26 janvier.

Cette recherche prédit un mécanisme moléculaire spécial basé sur la simulation d'amarrage entre la PETase et un substrat mimique alternatif PET. Ils ont construit la variante pour IsPETase avec une activité de dégradation de la PET améliorée en utilisant l'ingénierie des protéines à base structurelle.

On s'attend à ce que les nouvelles approches de cette recherche puissent contribuer à une étude plus approfondie d'autres enzymes capables de dégrader non seulement le PET mais d'autres plastiques, également.

Après utilisation, Le PET pose des problèmes de contamination environnementale en raison de sa non-biodégradabilité. Classiquement, Le PET est mis en décharge, utilisant l'incinération, et parfois le recyclage par des méthodes chimiques, ce qui induit une pollution environnementale supplémentaire. Par conséquent, enzymes de dégradation du PET hautement performantes et biosourcées, des méthodes respectueuses de l'environnement sont souhaitables.

Récemment, les chercheurs ont isolé une nouvelle espèce bactérienne, Ideonella sakaiensis, qui peut utiliser le PET comme source de carbone. La PETase d'I. sakaiensis (IsPETase) peut dégrader le PET avec un succès relativement plus élevé que les autres enzymes dégradant le PET. Cependant, le mécanisme enzymatique détaillé n'a pas été élucidé, entraver la poursuite des études.

Les équipes de recherche ont étudié comment le substrat se lie à l'enzyme et quelles différences dans la structure de l'enzyme entraînent une activité de dégradation du PET significativement plus élevée par rapport aux autres cutinases et estérases. Sur la base de la structure 3-D et des études biochimiques associées, ils ont réussi à déterminer la base de l'activité de dégradation de la PET de l'IsPETase et ont suggéré d'autres enzymes pouvant dégrader la PET avec un nouvel arbre phylogénétique. L'équipe a proposé que 4 fractions MHET soient les substrats les mieux adaptés en raison d'une fente structurelle même avec les 10-20-mères pour le PET. Ceci est significatif dans la mesure où il s'agit de la première simulation d'amarrage entre PETase et PET, pas son monomère.

Par ailleurs, ils ont réussi à développer une nouvelle variante avec une activité de dégradation du PET beaucoup plus élevée en utilisant une structure cristalline de cette variante pour montrer que la structure modifiée s'adapte mieux aux substrats du PET que la PETase de type sauvage, ce qui conduira à un développement enzymatique supérieur et à la construction d'une plate-forme pour le recyclage microbien du plastique.

Le professeur Lee a dit, « La pollution de l'environnement par les plastiques reste l'un des plus grands défis dans le monde avec la consommation croissante de plastiques. Nous avons construit avec succès un nouveau variante supérieure de dégradation du PET avec détermination d'une structure cristalline de la PETase et de son mécanisme moléculaire de dégradation. Cette nouvelle technologie aidera d'autres études à concevoir des enzymes plus supérieures avec une haute efficacité de dégradation. »