Abstract Interfacial enzyme reactions are common in nature and in industrial settings, including the enzymatic deconstruction of poly(ethylene terephthalate) (PET) waste. Kinetic descriptions of PET hydrolases are necessary for both comparative analyses, discussions of structure-function relations and rational optimization of technical processes. We investigated whether the Sabatier principle could be used for this purpose. Specifically, we compared the kinetics of two well-known PET hydrolases, leaf-branch compost cutinase (LCC) and a cutinase from the bacterium T. fusca (TfC) when adding different concentrations of the surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). We found that CTAB consistently lowered the strength of enzyme-PET interactions, while its effect on enzymatic turnover was strongly biphasic. Thus, at gradually increasing CTAB concentrations, turnover was initially promoted and subsequently suppressed. This correlation with maximal turnover at an intermediate binding strength is in accordance with the Sabatier principle. One consequence of these results is that both enzymes had too strong intrinsic interaction with PET for optimal turnover, especially TfC, which showed a 20-fold improvement of k cat at the maximum. LCC on the other hand had an intrinsic substrate affinity closer to the Sabatier optimum and the turnover rate was 5-fold improved at weakened substrate binding. Our results show that the Sabatier principle may indeed rationalize enzymatic PET degradation and support process optimization. Finally, we suggest that future discovery efforts should consider enzymes with weakened substrate binding, since strong adsorption seems to limit their catalytic performance. ToC graphics

Abstract Enzyme reactions, both in Nature and technical applications, commonly occur at the interface of immiscible phases. Nevertheless, stringent descriptions of interfacial enzyme catalysis remain sparse, and this is partly due to a shortage of coherent experimental data to guide and assess such work. We have produced and kinetically characterized 83 cellulases, which revealed a conspicuous linear free energy relationship (LFER) between the strength of substrate binding and the activation barrier. This common scaling occurred despite the investigated enzymes were structurally and mechanistically diverse. We suggest that the scaling reflects basic physical restrictions of the hydrolytic process and that evolutionary selection have condensed cellulase phenotypes near the line. One consequence of the LFER is that the activity of a cellulase can be estimated from substrate binding strength, irrespectively of structural and mechanistic details, and this appears promising for in silico selection and design within this industrially important group of enzymes. On a more general note, the LFER may identify a link to inorganic heterogeneous catalysis, and hence open for the implementation of approaches from this field within interfacial enzymology.

Microbial communities from extreme environments are largely understudied, but are essential as producers of metabolites, including enzymes, for industrial processes. As cultivation of most microorganisms remains a challenge, culture-independent approaches for enzyme discovery in the form of metagenomics to analyse the genetic potential of a community are rapidly becoming the way forward. This study focused on analysing a metagenome from the cold and alkaline ikaite columns in Greenland, identifying 282 open reading frames (ORFs) that encoded putative carbohydrate-modifying enzymes with potential applications in, for example detergents and other processes where activity at low temperature and high pH is desired. Seventeen selected ORFs, representing eight enzyme families were synthesized and expressed in two host organisms, Escherichia coli and Aliivibrio wodanis. Aliivibrio wodanis demonstrated expression of a more diverse range of enzyme classes compared to E. coli, emphasizing the importance of alternative expression systems for enzymes from extremophilic microorganisms. To demonstrate the validity of the screening strategy, we chose a recombinantly expressed cellulolytic enzyme from the metagenome for further characterization. The enzyme, Cel240, exhibited close to 40% of its relative activity at low temperatures (4°C) and demonstrated endoglucanase characteristics, with a preference for cellulose substrates. Despite low sequence similarity with known enzymes, computational analysis and structural modelling confirmed its cellulase-family affiliation. Cel240 displayed activity at low temperatures and good stability at 25°C, activity at alkaline pH and increased activity in the presence of CaCl

Abstract Structural polysaccharides are difficult to degrade due to their crystalline structure. Hence, industrial conversion of biomass has focused on both substrate pretreatment and enzyme engineering to improve the biochemical conversion of biomass into fuels and chemicals. However, few studies have explored the interrelationship between substrate crystallinity and cellulase activity. Here, we systematically investigated the kinetics of structurally diverse cellulases on five cellulosic substrates with varying crystallinity. Regardless of enzyme structure and catalytic mechanism, we observed a linear scaling of the kinetic parameters ( K M and k cat ) in a log-log plot, indicating a linear free energy relationship (LFER) between binding and activation energy. LFERs were observed for all investigated substrates, but their slopes varied distinctly and appeared linked to the substrate crystallinity. Substrates with low crystallinity exhibited LFERs with a slope near 1, while highly crystalline substrates had a slope of approximately 0.25, providing insights into the transition state (TS) for the rate-limiting step. We propose that maximal turnover was limited by slow dissociation, with the TS structurally close to the enzyme-ligand complex on crystalline substrate, while on amorphous substrate, the TS structure was closer to the dissociated system. We suggest that these observations reflect competing interactions of the ligand with respectively the enzyme binding cleft and the substrate matrix. This study emphasizes the interconnected nature of substrate pretreatment and enzyme engineering, urging a holistic approach to propel the biochemical conversion of lignocellulosic biomass, crucial for advancing sustainable production of fuels and chemicals.

Abstract Bioprocessing of polyester waste has emerged as a promising tool in the quest for a cyclic plastic economy. One key step is the enzymatic breakdown of the polymer, and this entails a complicated pathway with substrates, intermediates, and products of variable size and solubility. We have elucidated this pathway for poly(ethylene terephthalate) (PET) and four enzymes. Specifically, we combined different kinetic measurements and a novel stochastic model, and found that the ability to hydrolyze internal bonds in the polymer (endo-lytic activity) was a key parameter for overall enzyme performance. Endo-lytic activity promoted the release of soluble PET fragments with two or three aromatic rings, which, in turn, were broken down with remarkable efficiency (k cat /K M -values of about 10 5 M -1 s -1 ) in the aqueous bulk. This meant that about 70% of the final, monoaromatic products was formed via soluble di-or tri-aromatic intermediates.

Abstract The potential of bioprocessing in a circular plastic economy has strongly stimulated research in enzymatic degradation of different synthetic resins. Particular interest has been devoted to the commonly used polyester, poly(ethylene terephthalate) (PET), and a number of PET hydrolases have been described. However, a kinetic framework for comparisons of PET hydrolases (or other plastic degrading enzymes) acting on the insoluble substrate, has not been established. Here, we propose such a framework and test it against kinetic measurements on four PET hydrolases. The analysis provided values of k cat and K M , as well as an apparent specificity constant in the conventional units of M −1 s −1 . These parameters, together with experimental values for the number of enzyme attack sites on the PET surface, enabled comparative analyses. We found that the PET hydrolase from Ideonella sakaiensis was the most efficient enzyme at ambient conditions, and that this relied on a high k cat rather than a low K M . Moreover, both soluble and insoluble PET fragments were consistently hydrolyzed much faster than intact PET. This suggests that interactions between polymer strands slow down PET degradation, while the chemical steps of catalysis and the low accessibility associated with solid substrate were less important for the overall rate. Finally, the investigated enzymes showed a remarkable substrate affinity, and reached half the saturation rate on PET, when the concentration of attack sites in the suspension was only about 50 nM. We propose that this is linked to nonspecific adsorption, which promotes the nearness of enzyme and attack sites.

Global plastic production exceeded 400 million tons in 2022, urgently demanding improved waste management and recycling strategies for a circular plastic economy. While the enzymatic hydrolysis of polyethylene terephthalate (PET) has become feasible on industrial scales, efficient enzymes targeting other hydrolysable plastic types such as polyurethanes (PURs) are lacking. Recently, enzymes of the amidase signature (AS) family, capable of cleaving urethane bonds in a polyether‐PUR analog and a linear polyester‐PUR, have been identified. Herein, we present high‐resolution crystal structures of the AS enzyme UMG‐SP3 in three states: ligand‐free, bound with a suicidal inhibitor mimicking the transition state, and bound with a monomeric PUR degradation product. Besides revealing the conserved core and catalytic triad akin to other AS family members, the UMG‐SP3 structures show remarkable flexibility of loop regions. Particularly, Arg209 in loop 3 adopts two induced‐fit conformations upon ligand binding. Through structure‐guided kinetic studies and enzyme engineering, we mapped structural key elements that determine the enhanced hydrolysis of urethane and amide bonds in various small molecules including a linear PUR fragment analog. Our findings contribute critical insights into urethanase activity, aiding PUR degradation campaigns and sustainable plastic recycling efforts in the future.

Global plastic production exceeded 400 million tons in 2022, urgently demanding improved waste management and recycling strategies for a circular plastic economy. While the enzymatic hydrolysis of polyethylene terephthalate (PET) has become feasible on industrial scales, efficient enzymes targeting other hydrolysable plastic types such as polyurethanes (PURs) are lacking. Recently, enzymes of the amidase signature (AS) family, capable of cleaving urethane bonds in a polyether‐PUR analog and a linear polyester‐PUR, have been identified. Herein, we present high‐resolution crystal structures of the AS enzyme UMG‐SP3 in three states: ligand‐free, bound with a suicidal inhibitor mimicking the transition state, and bound with a monomeric PUR degradation product. Besides revealing the conserved core and catalytic triad akin to other AS family members, the UMG‐SP3 structures show remarkable flexibility of loop regions. Particularly, Arg209 in loop 3 adopts two induced‐fit conformations upon ligand binding. Through structure‐guided kinetic studies and enzyme engineering, we mapped structural key elements that determine the enhanced hydrolysis of urethane and amide bonds in various small molecules including a linear PUR fragment analog. Our findings contribute critical insights into urethanase activity, aiding PUR degradation campaigns and sustainable plastic recycling efforts in the future.

Interfacial enzyme catalysis is widespread in both nature and industry. Granular starch is a sustainable and abundant raw material for which a rigorous correlation of the surface structure with enzymatic degradation is lacking. Here pullulanase-catalyzed debranching of 12 granular starches varying in amylopectin contents and branch chain contents and lengths is shown to present a biphasic relationship characteristic of the Sabatier principle. Introducing normalization of the specific rate (v0/E0) by a substrate-dependent constant C, related to the Arrhenius prefactor of kcat, reveals that optimal activity according to the Sabatier principle occurs at moderate substrate binding strength. The density of pullulanase attack sites (kinΓmax), determined using combined conventional and inverse Michaelis–Menten kinetics, was increased by branching enzyme treatment. Medium kinΓmax and branch chain length conferred the highest activity depending on substrate load. Correlation analysis demonstrated that starch granular crystallinity, surface order, and average branch chain length influence the enzymatic degradation by affecting the C constant. Therefore, C should be considered together with the enzyme binding strength to understand the degradation of starch granules. The Sabatier principle could serve as a diagnostic tool to characterize enzyme performance on substrates having different surface structures and guide rational modification of granular starches for specific purposes.