Structural Elucidation of a Metagenomic Urethanase and Its Engineering Towards Enhanced Hydrolysis Profiles

Abstract

Abstract Während Kunststoffe wie Polyethylenterephthalat (PET) bereits effizient durch die Aktivität von Hydrolasen abgebaut werden können, sind andere synthetische Polymere wie Polyurethane (PUs) und Polyamide (PAs) weitgehend resistent gegenüber einem biologischen Abbau. In dieser Studie lösten wir die erste Kristallstruktur der metagenomischen Urethanase UMG‐SP‐1, identifizierten hochflexible Loopregionen, die Reste des aktiven Zentrums enthalten, und untersuchten insgesamt 20 potenzielle Hotspots mittels Sättigungsmutagenese. Die durch Protein Engineering erzeugten Einzelmutanten wiesen eine fast 3‐ bzw. 8‐fach verbesserte Aktivität gegenüber hochstabilen N ‐Arylurethan‐ und Amidbindungen auf. Darüber hinaus konnte die Freisetzung der entsprechenden Monomere aus einem thermoplastischen Polyester‐PU und einem PA (Nylon 6) durch die Aktivität einer einzigen, metagenomischen Urethanase nach kurzer Inkubationszeit nachgewiesen werden. Dadurch konnte das Hydrolyseprofil von UMG‐SP‐1 über die bekannten niedermolekularen Carbamate hinaus erweitert werden und erschließt so neue Möglichkeiten für den enzymatischen Abbau und das Recycling von Kunststoffen und Plastikabfällen. Damit unterstützt diese Studie Bemühungen um die Verbesserung einer Kreislaufwirtschaft für synthetische Polymere.