一种混杂酯酶的结构解析及其机制导向的工程改造用于增强聚氨酯降解

聚氨酯是全球产量第五大的合成聚合物，年产量达数百万吨。但由于其氨基甲酸酯键的内在稳定性导致其极难自然降解，长期以来一直是聚酯塑料回收领域的“顽疾”，带来了严峻的废物管理挑战。传统的机械和化学回收方法往往伴随着高能耗、高成本以及环境负担。因此，开发绿色的酶法解聚技术是实现废弃塑料循环再造的有效途径。

近日，南京工业大学姜岷教授团队、董维亮教授与山东大学李延伟教授、德国格赖夫斯瓦尔德大学韦韧博士、天津工业生物技术研究所刘卫东研究员合作，在《Engineering》上发表了题为“Structural Elucidation and Mechanisms-Guided Engineering of a Promiscuous Esterase for Enhanced Polyurethane Depolymerization”的研究论文(DOI: 10.1016/j.eng.2026.02.008)。该研究结果为酯酶在聚氨酯降解中的结构–功能关系提供了关键的机制见解，并展示了其在聚酯塑料回收中的应用潜力。

研究指出虽然许多酯酶可以降解聚酯型PU，但寻找能够有效切割各类PU中氨基甲酸酯键的催化剂从而实现不同类型PU的解聚是PU酶法解聚的核心挑战。研究团队通过解析具有酰胺键和氨基甲酸酯键水解活性的混杂酯酶Aes72在1.80 Å高分辨率下的无配体晶体结构，获得了关于该酶的结构信息。同时利用先进的量子力学/分子力学（QM/MM）模拟计算技术，阐明了其催化PU氨基甲酸酯键的反应机制。研究结果表明，该反应机制包含四个协同的基元步骤，明确了其中亲核攻击被确定为限速步骤。

研究团队随后通过底物口袋扩大和共识序列两种策略进行半理性设计，最终获得了具有最佳性能的双突变体F276A/L141I，该双突变体对模型底物双(4-羟基丁基)(亚甲基双(4,1-亚苯基))二氨基甲酸酯（BMC）的催化速率较野生型酶提升了两倍。最后，测试了该突变体对两种聚醚型PU材料的降解性能。实验证实，工程化后的Aes72变体能导致热塑性聚醚型PU发生明显的链断裂和显著的重量损失。但该变体在热固性PU上效果受限，主要归因于热固性PU的高交联密度显著降低了底物可及性，且商业制剂中的添加剂（如阻燃剂、稳定剂等）产生了生化干扰。

尽管研究强调，由于高度交联的热固性聚氨酯泡沫结构复杂，其降解仍具挑战性，但Aes72的成功工程化为未来的研究奠定了坚实基础。通过结合结构生物学与计算设计，该研究为废弃聚氨酯的酶法解聚回收提供了重要的理论依据与技术路径，使科学界向实现PU塑料废弃物的可持续高效回收迈进了一步。

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