JP2023058381A - Protein, polynucleotide, recombinant vector, transformant, composition for decomposing polyethylene terephthalate, and manufacturing method for recycled products - Google Patents

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彰彦 中村
Akihiko Nakamura
亮太 飯野
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Abstract

To provide a novel protein with excellent heat resistance and PET hydrolysis activity, to provide a polynucleotide comprising a nucleic acid sequence encoding the protein, to provide a recombinant vector comprising the polynucleotide, to provide a transformant comprising the recombinant vector, to provide a composition for decomposing polyethylene terephthalate comprising the protein, and to provide a method for producing a recycled product using the protein.SOLUTION: The protein of the present invention has PET hydrolytic activity and has at least R20C and G62C mutations relative to PET2 wild type.SELECTED DRAWING: Figure 6A

Description

特許法第30条第2項適用申請有り (1)Akihiko Nakamura,Naoya Kobayashi,Nobuyasu Koga,and Ryota Iino,Positive Charge Introduction on the Surface of Thermostabilized PET Hydrolase Facilitates PET Binding and Degradation,ACS Catal.2021,11,8550-8564(令和3年6月29日公開) (2)第3回ExCELLSシンポジウム オンラインポスター(令和2年12月21日公開) (3)令和3年7月1日付プレスリリース(国立大学法人 静岡大学のウェブサイトに掲載されたpdf資料) (4)令和3年7月1日付プレスリリース(国立大学法人 静岡大学のウェブサイト) (5)令和3年7月1日付プレスリリース(大学共同利用機関法人 自然科学研究機構分子化学研究所のウェブサイト)(1) Akihiko Nakamura, Naoya Kobayashi, Nobuyasu Koga, and Ryota Iino, Positive Charge Introduction on the Surface of Thermostabilized PET Hydraulic PET Hydrochloride Binding and Degradation, ACS Catal. 2021, 11, 8550-8564 (Released on June 29, 2021) (2) The 3rd ExCELLS Symposium Online Poster (Released on December 21, 2020) (3) Date July 1, 2021 (4) Press release dated July 1, 2021 (Shizuoka University website) (5) July 2021 Press release dated 1st (website of Institute for Molecular Chemistry, National Institutes of Natural Sciences)

本開示は、タンパク質、ポリヌクレオチド、組換えベクター、形質転換体、ポリエチレンテレフタレート分解用組成物、及びリサイクル品の製造方法に関する。 The present disclosure relates to proteins, polynucleotides, recombinant vectors, transformants, compositions for degrading polyethylene terephthalate, and methods for producing recycled products.

プラスチックによる環境汚染の解決や持続可能な社会の構築が重要視されている。その中でポリエチレンテレフタレート(PET)は国内で生産されているプラスチックの約4%を占めており、飲料ボトル、衣類等、身近に使用されている。現在PETの大半は焼却処分されたり、カーペット等に変換利用されたりしているが、持続可能な利用のためには再利用することが望ましい。現在実用化されているPETのリサイクルでは、粉砕後熱処理して再成形する物理リサイクルと、化学触媒で分解後再重合するケミカルリサイクルの2通りが採用されている。しかしながら、前者では物性の低下や着色が問題となり、後者では危険性の高い薬品や高温処理が必要である。腐食性の高い薬品の使用量と必要な熱量を減らすことができる酵素を用いたPET分解技術は今後の社会で重要となる技術である。 The solution of environmental pollution caused by plastics and the construction of a sustainable society are being emphasized. Among them, polyethylene terephthalate (PET) accounts for about 4% of domestically produced plastics, and is used in everyday items such as drink bottles and clothing. At present, most of PET is incinerated or converted into carpets, etc., but it is desirable to reuse it for sustainable use. PET recycling currently in practical use employs two methods: physical recycling in which PET is pulverized and then heat-treated and remolded, and chemical recycling in which PET is decomposed with a chemical catalyst and then repolymerized. However, the former poses problems of deterioration in physical properties and coloration, while the latter requires highly dangerous chemicals and high-temperature treatment. PET decomposition technology using enzymes that can reduce the amount of highly corrosive chemicals used and the amount of heat required will be an important technology in the future society.

PET分解酵素として、PET資化性細菌由来のIsPETaseの活性を向上させた変異体が報告されている(特許文献1参照)。また、ワックス層であるクチンを分解するクチナーゼを起源とするCut190(特許文献2参照)、並びに耐熱性及びPET分解活性を向上させた変異体としてもう1つのクチナーゼであるLCCも報告されている(特許文献3、4参照)。 As a PET-degrading enzyme, a mutant with improved activity of IsPETase derived from PET-utilizing bacteria has been reported (see Patent Document 1). In addition, Cut190 (see Patent Document 2), which originates from a cutinase that degrades cutin, which is a wax layer, and another cutinase, LCC, as a mutant with improved heat resistance and PET decomposition activity have been reported (see Patent Document 2). See Patent Documents 3 and 4).

一方でPETのエステル結合は、上記以外のエステラーゼでも分解が可能である。例えば、2009年にリパーゼとして発見された環境ゲノム由来のLipIAF5.2酵素(非特許文献1参照)は、2018年に、PET分解活性を持つことが報告され、PET2と命名された(非特許文献2参照)。 On the other hand, ester bonds of PET can be decomposed by esterases other than those described above. For example, the environmental genome-derived LipIAF5.2 enzyme (see Non-Patent Document 1), which was discovered as a lipase in 2009, was reported to have PET degradation activity in 2018 and was named PET2 (Non-Patent Document 2).

国際公開第2019/168811号WO2019/168811 特開2015-119670号公報JP 2015-119670 A 国際公開第2012/099018号WO2012/099018 特表2019-527060号公報Japanese Patent Publication No. 2019-527060

Meilleur, C.; Hupe, J. F.; Juteau, P.; Shareck, F. Isolation and Characterization of a New Alkali-Thermostable Lipase Cloned from a Metagenomic Library. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2009, 36, 853-61.Meilleur, C.; Hupe, J. F.; Juteau, P.; Shareck, F. Isolation and Characterization of a New Alkali-Thermostable Lipase Cloned from a Metagenomic Library. J. Ind. Microbiol. Danso, D.; Schmeisser, C.; Chow, J.; Zimmermann, W.; Wei, R.; Leggewie, C.; Li, X.; Hazen, T.; Streit, W. R. New Insights into the Function and Global Distribution of Polyethylene Terephthalate (Pet)-Degrading Bacteria and Enzymes in Marine and Terrestrial Metagenomes. Appl. Environ. Microbiol. 2018, 84, No. e02773-17.Danso, D.; Schmeisser, C.; Chow, J.; Zimmermann, W.; Wei, R.; Distribution of Polyethylene Terephthalate (Pet)-Degrading Bacteria and Enzymes in Marine and Terrestrial Metagenomes. Appl. Environ. Microbiol. 2018, 84, No. e02773-17.

従来知られているPET分解酵素は、リサイクルに使用するうえではそれぞれ課題を有する。例えば、IsPETaseは耐熱性が低いという問題がある。また、Cut190及びLCCはカルシウムイオン依存性を有し、不純物を可能な限り低減することが望まれるリサイクルに用いるうえでは不利である。さらに、PET2も、耐熱性とPET分解活性は他の酵素と比較して高いとはいえなかった。 Conventionally known PET degrading enzymes have their respective problems when used for recycling. For example, IsPETase has a problem of low heat resistance. Also, Cut190 and LCC are dependent on calcium ions, which is disadvantageous for use in recycling where it is desired to reduce impurities as much as possible. Furthermore, it cannot be said that PET2 has high heat resistance and PET decomposition activity as compared with other enzymes.

本開示は、耐熱性及びPET加水分解活性に優れる新規のタンパク質、前記タンパク質をコードする核酸配列を含むポリヌクレオチド、前記ポリヌクレオチドを含む組換えベクター、前記組換えベクターを含む形質転換体、前記タンパク質を含むポリエチレンテレフタレート分解用組成物、及び前記タンパク質を用いたリサイクル品の製造方法を提供することに関する。 The present disclosure provides a novel protein excellent in heat resistance and PET hydrolysis activity, a polynucleotide comprising a nucleic acid sequence encoding the protein, a recombinant vector comprising the polynucleotide, a transformant comprising the recombinant vector, the protein and a method for producing a recycled product using the protein.

上記課題を解決するための手段は、以下の態様を含む。
<1> ポリエチレンテレフタレート加水分解活性を有する、以下のいずれかのアミノ酸配列を含むタンパク質。
(A)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列;
(A1)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列と90%以上の配列同一性を有し、かつ前記R20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列;
(B)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列;
(B1)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列と90%以上の配列同一性を有し、かつ前記R20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列;
(C)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異を有するアミノ酸配列;又は
(C1)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異を有するアミノ酸配列と90%以上の配列同一性を有し、かつ前記R20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異を有するアミノ酸配列。
<2> 前記ポリエチレンテレフタレート加水分解活性のpH7.0における至適温度が60.0℃超である、<1>に記載のタンパク質。
<3> 融解温度が70.0℃以上である、<1>又は<2>に記載のタンパク質。
<4> 前記ポリエチレンテレフタレート加水分解活性が、カルシウムイオン非依存性である、<1>~<3>のいずれか1項に記載のタンパク質。
<5> pH7.0において、配列番号1のアミノ酸配列を有するタンパク質よりも高いポリエチレンテレフタレート加水分解活性を有する、<1>~<4>のいずれか1項に記載のタンパク質。
<6> 前記R20C及びG62Cの変異の箇所の2つのシステイン残基がジスルフィド結合を形成する、<1>~<5>のいずれか1項に記載のタンパク質。
<7> 以下のいずれかのアミノ酸配列を含む、<1>~<6>のいずれか1項に記載のタンパク質。
(A)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列;
(B)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列;又は
(C)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異を有するアミノ酸配列。
<8> <1>~<7>のいずれか1項に記載のタンパク質をコードする塩基配列を含むポリヌクレオチド。
<9> <8>に記載のポリヌクレオチドを含む組換えベクター。
<10> <9>に記載の組換えベクターを含む形質転換体。
<11> <1>~<7>のいずれか1項に記載のタンパク質を含む、ポリエチレンテレフタレート分解用組成物。
<12> <1>~<7>のいずれか1項に記載のタンパク質によりポリエチレンテレフタレートを分解することを含む、リサイクル品の製造方法。
Means for solving the above problems include the following aspects.
<1> A protein having polyethylene terephthalate hydrolysis activity and comprising any of the following amino acid sequences.
(A) an amino acid sequence having mutations R20C and G62C relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1;
(A1) an amino acid sequence having 90% or more sequence identity with an amino acid sequence having R20C and G62C mutations with respect to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, and having said R20C and G62C mutations;
(B) an amino acid sequence having mutations R20C, G62C, S129P, and T270P relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1;
(B1) has a sequence identity of 90% or more with the amino acid sequence having R20C, G62C, S129P, and T270P mutations with respect to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, and the R20C, G62C, S129P, and T270P mutations an amino acid sequence having
(C) an amino acid sequence having mutations R20C, G62C, S129P, T270P, G153A, E83K, and F78R relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO:1; or (C1) R20C, G62C, relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO:1; An amino acid sequence having 90% or more sequence identity with an amino acid sequence having mutations S129P, T270P, G153A, E83K, and F78R, and having mutations R20C, G62C, S129P, T270P, G153A, E83K, and F78R .
<2> The protein according to <1>, wherein the optimum temperature for the polyethylene terephthalate hydrolysis activity at pH 7.0 is above 60.0°C.
<3> The protein according to <1> or <2>, which has a melting temperature of 70.0°C or higher.
<4> The protein according to any one of <1> to <3>, wherein the polyethylene terephthalate hydrolysis activity is independent of calcium ions.
<5> The protein according to any one of <1> to <4>, which has higher polyethylene terephthalate hydrolysis activity than the protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 at pH 7.0.
<6> The protein according to any one of <1> to <5>, wherein the two cysteine residues at the R20C and G62C mutations form a disulfide bond.
<7> The protein according to any one of <1> to <6>, comprising any one of the following amino acid sequences.
(A) an amino acid sequence having mutations R20C and G62C relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1;
(B) an amino acid sequence having the mutations R20C, G62C, S129P, and T270P relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO:1; or (C) R20C, G62C, S129P, T270P, G153A, Amino acid sequence with E83K and F78R mutations.
<8> A polynucleotide comprising a base sequence encoding the protein according to any one of <1> to <7>.
<9> A recombinant vector comprising the polynucleotide according to <8>.
<10> A transformant containing the recombinant vector of <9>.
<11> A composition for decomposing polyethylene terephthalate, comprising the protein according to any one of <1> to <7>.
<12> A method for producing a recycled product, comprising decomposing polyethylene terephthalate with the protein according to any one of <1> to <7>.

本開示によれば、耐熱性及びPET加水分解活性に優れる新規のタンパク質、前記タンパク質をコードする核酸配列を含むポリヌクレオチド、前記ポリヌクレオチドを含む組換えベクター、前記組換えベクターを含む形質転換体、前記タンパク質を含むポリエチレンテレフタレート分解用組成物、及び前記タンパク質を用いたリサイクル品の製造方法が提供される。 According to the present disclosure, a novel protein excellent in heat resistance and PET hydrolysis activity, a polynucleotide comprising a nucleic acid sequence encoding the protein, a recombinant vector comprising the polynucleotide, a transformant comprising the recombinant vector, A composition for decomposing polyethylene terephthalate containing the protein and a method for producing a recycled product using the protein are provided.

PET加水分解酵素によるPET加水分解の概要、並びにPET及びその加水分解産物の概要を示す図である。PETは水不溶性の合成ポリマーであり結晶性領域及び非晶性領域を有する。PET加水分解酵素はPET表面に結合し非晶性領域の可動域において分子鎖を捕捉して活性部位に取り込む。PET鎖はビス(ヒドロキシエチル)テレフタレート(BHET)、(ヒドロキシエチル)テレフタレート(MHET)、テレフタル酸(TPA)、及びエチレングリコール(EG)に加水分解される。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the outline|summary of PET hydrolysis by a PET hydrolase, and the outline|summary of PET and its hydrolyzate. PET is a water-insoluble synthetic polymer with crystalline and amorphous regions. The PET hydrolase binds to the PET surface and captures the molecular chains in the motion range of the amorphous region and incorporates them into the active site. PET chains are hydrolyzed to bis(hydroxyethyl)terephthalate (BHET), (hydroxyethyl)terephthalate (MHET), terephthalic acid (TPA), and ethylene glycol (EG). PET2野生型の評価を示す。図2Aは残存活性から調べた熱安定性を表す。pH7.0において40~90℃の各温度で1時間処理後、1mMのBHETを0.1μMの酵素で60℃、10分間、pH7.0で加水分解した。生産されたMHET濃度(μM)を定量し、酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(600秒)で除算して活性を算出した。Evaluation of PET2 wild type is shown. FIG. 2A shows thermal stability determined from residual activity. After treatment for 1 hour at each temperature from 40 to 90°C at pH 7.0, 1 mM BHET was hydrolyzed with 0.1 µM enzyme at 60°C for 10 minutes at pH 7.0. The MHET concentration (μM) produced was quantified and activity was calculated by dividing by the enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (600 seconds). PET2野生型の評価を示す。図2Bは60℃、10分間のBHET加水分解活性のpH依存性を示す。生産されたMHET濃度(μM)を定量し、酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(600秒)で除算して活性を算出した。PET2の非存在下で産生されたMHET濃度はバックグランドとして差し引いた。Evaluation of PET2 wild type is shown. FIG. 2B shows the pH dependence of BHET hydrolysis activity at 60° C. for 10 minutes. The MHET concentration (μM) produced was quantified and activity was calculated by dividing by the enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (600 seconds). MHET concentrations produced in the absence of PET2 were subtracted as background. PET2野生型の評価を示す。図2Cは20℃(実線)及び95℃(破線)における、10mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)内でのPET2野生型のCDスペクトルを示す。230nmでのシグナルを融解温度(Tm)解析に用いた。Evaluation of PET2 wild type is shown. FIG. 2C shows the CD spectra of PET2 wild type in 10 mM sodium phosphate solution (pH 7.0) at 20° C. (solid line) and 95° C. (dashed line). Signals at 230 nm were used for melting temperature (Tm) analysis. PET2野生型の評価を示す。図2Dは昇温中の230nmでのシグナル変化を示す。Evaluation of PET2 wild type is shown. FIG. 2D shows the signal change at 230 nm during heating. PET2の各変異体のTmと非晶性PET加水分解活性を示す。図3AはPET2野生型のホモロジーモデリング構造を示す。変異の位置は棒状に表示されている。The Tm and amorphous PET hydrolytic activity of each variant of PET2 are shown. FIG. 3A shows the homology modeling structure of PET2 wild type. Mutation positions are indicated by bars. PET2の各変異体のTmと非晶性PET加水分解活性を示す。図3Bは単一変異及びジスルフィド結合形成のためのシステイン対の概要を表す。IsPETaseの野生型又は変異体に基づく変異(◆)、プロリン変異(●)、アラニン変異(▲)、システイン対変異(▼)を野生型(WT)(■)と共にプロットしている。非晶性PETディスク(0.32cm、4.0mg)を、50mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)中で、60℃で60分、0.1μMの酵素と共にインキュベートした。生産されたTPA、MHET,BHETを合計した。活性値は、生成物の総濃度(μM)を酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(60分)で除算して算出した。The Tm and amorphous PET hydrolytic activity of each variant of PET2 are shown. FIG. 3B presents a schematic of single mutations and cysteine pairs for disulfide bond formation. IsPETase wild-type or mutant-based mutations (♦), proline mutations (●), alanine mutations (▴), cysteine versus mutations (▼) are plotted with wild type (WT) (▪). Amorphous PET discs (0.32 cm 2 , 4.0 mg) were incubated with 0.1 μM enzyme in 50 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) at 60° C. for 60 minutes. TPA, MHET and BHET produced were totaled. Activity values were calculated by dividing the total product concentration (μM) by the enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (60 min). PET2の各変異体のTmと非晶性PET加水分解活性を示す。図3Cは変異の統合の概要を表す。変異の順序は矢印で示されている。活性分析条件は図3Bで示したものと同じである。The Tm and amorphous PET hydrolytic activity of each variant of PET2 are shown. FIG. 3C presents an overview of mutation integration. The order of mutations is indicated by arrows. The activity analysis conditions are the same as those shown in FIG. 3B. PET2変異体のX線結晶構造を示す。 (A)PET2(2M)のX線結晶構造。非対称ユニットのB鎖分子が示されている。触媒トライアド(S175、D221、及びH253)及び変異を受けるアミノ酸残基が示されている。 (B)PET2(7M)のX線結晶構造。触媒トライアド(S175、D221、及びH253)及び変異したアミノ酸残基が示されている。 (C)pH7.0でのPET2野生型、PET2(7M)、及びIsPETaseの表面電荷。PET2野生型構造は、PET2(2M)変異構造の逆変異によって再構築した。各構造において、触媒ポケットは破線の円で示されている。Figure 2 shows the X-ray crystal structure of PET2 mutants. (A) X-ray crystal structure of PET2(2M). A B-chain molecule of the asymmetric unit is shown. The catalytic triad (S175, D221, and H253) and amino acid residues undergoing mutation are indicated. (B) X-ray crystal structure of PET2(7M). The catalytic triad (S175, D221, and H253) and mutated amino acid residues are indicated. (C) Surface charge of PET2 wild-type, PET2(7M) and IsPETase at pH 7.0. The PET2 wild-type structure was reconstructed by backmutation of the PET2(2M) mutant structure. In each structure, catalyst pockets are indicated by dashed circles. PET薄膜上のPET2野生型とPET2(7M)の結合及び解離の単一分子蛍光イメージングを示す。図5AはPET薄膜の明視野像を示す。スケール=2μm。Single-molecule fluorescence imaging of binding and dissociation of PET2 wild-type and PET2(7M) on PET thin films. FIG. 5A shows a bright field image of the PET thin film. Scale = 2 μm. PET薄膜上のPET2野生型とPET2(7M)の結合及び解離の単一分子蛍光イメージングを示す。図5Bは50pMでのAlexa Fluor 555標識PET2(7M)の結合及び解離の例を示す。シグナル強度の経時変化から推定される結合時間は0.6秒である。Single-molecule fluorescence imaging of binding and dissociation of PET2 wild-type and PET2(7M) on PET thin films. FIG. 5B shows an example of binding and dissociation of Alexa Fluor 555 labeled PET2 (7M) at 50 pM. The binding time estimated from the change in signal intensity over time is 0.6 seconds. PET薄膜上のPET2野生型とPET2(7M)の結合及び解離の単一分子蛍光イメージングを示す。図5Cは10nMのPET2(7M)で染色されたPET薄膜の蛍光画像を示す。図5Aと同じ視野を観察した。スケール=2μm。Single-molecule fluorescence imaging of binding and dissociation of PET2 wild-type and PET2(7M) on PET thin films. FIG. 5C shows a fluorescence image of a PET thin film stained with 10 nM PET2 (7M). The same field of view as in FIG. 5A was observed. Scale = 2 μm. PET薄膜上のPET2野生型とPET2(7M)の結合及び解離の単一分子蛍光イメージングを示す。図5Dは結合分子の累積数の経時変化を示す。PET2野生型とPET2(7M)の各動画の個々の軌跡が示されている。100分子の結合に要する時間から結合速度定数を算出した。Single-molecule fluorescence imaging of binding and dissociation of PET2 wild-type and PET2(7M) on PET thin films. FIG. 5D shows the cumulative number of bound molecules over time. Individual trajectories for each movie of PET2 wild-type and PET2(7M) are shown. A binding rate constant was calculated from the time required for binding of 100 molecules. PET薄膜上のPET2野生型とPET2(7M)の結合及び解離の単一分子蛍光イメージングを示す。図5Eは二重指数関数的減衰関数によりフィッティングしたPET2野生型の結合時間の分布を示す。フィッティング曲線の面積から遅い解離イベントと速い解離イベントの割合を算出した。Single-molecule fluorescence imaging of binding and dissociation of PET2 wild-type and PET2(7M) on PET thin films. FIG. 5E shows the distribution of PET2 wild-type binding times fitted with a double exponential decay function. The ratio of slow and fast dissociation events was calculated from the area of the fitting curve. PET薄膜上のPET2野生型とPET2(7M)の結合及び解離の単一分子蛍光イメージングを示す。図5Fは、二重指数関数的減衰関数によりフィッティングしたPET2(7M)の結合時間の分布を示す。野生型と同様の方法により遅い解離イベントと速い解離イベントの割合を算出した。Single-molecule fluorescence imaging of binding and dissociation of PET2 wild-type and PET2(7M) on PET thin films. FIG. 5F shows the distribution of binding times of PET2(7M) fitted with a double exponential decay function. The ratio of slow and fast dissociation events was calculated by the same method as for the wild type. 活性の温度依存性と経時変化を示す。図6Aは非晶性PET加水分解活性の温度依存性を示す。PET2野生型(■)、PET2(4M)(●)、PET2(5M)(▲)、PET2(7M)(▼)の温度依存性が示されている。TPA、MHET及びBHETの濃度を合計し、生成物の合計として示している。活性は、生成物(μM)の合計を酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(60分)で除算して算出した。68℃でのPET2(7M)の最大活性は60℃での野生型の最大活性の6.8倍であった。プロットは3回の測定の平均と標準偏差を示す。Temperature dependence and time course of activity are shown. FIG. 6A shows the temperature dependence of amorphous PET hydrolysis activity. The temperature dependence of PET2 wild-type (▪), PET2(4M) (●), PET2(5M) (▴), PET2(7M) (▴) is shown. Concentrations of TPA, MHET and BHET are summed and presented as total product. Activity was calculated by dividing total product (μM) by enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (60 min). The maximal activity of PET2 (7M) at 68°C was 6.8 times that of the wild type at 60°C. Plots show the mean and standard deviation of triplicate determinations. 活性の温度依存性と経時変化を示す。図6Bは非晶性PET加水分解活性の経時変化を示す。PET2野生型とPET2(7M)は、それぞれ60℃、68℃で反応させた。プロットは3回の測定の平均と標準偏差を示す。Temperature dependence and time course of activity are shown. FIG. 6B shows the time course of amorphous PET hydrolysis activity. PET2 wild type and PET2 (7M) were reacted at 60°C and 68°C, respectively. Plots show the mean and standard deviation of triplicate determinations. 活性の温度依存性と経時変化を示す。図6CはPET2野生型(左)及びPET2(7M)(右)により非晶性PETフィルムから生成したTPA、MHET、及びBHETのプロットを塗りつぶしたものを表す。生成物の合計量は図6Bと合致する。Temperature dependence and time course of activity are shown. FIG. 6C represents filled plots of TPA, MHET, and BHET generated from amorphous PET films with PET2 wild-type (left) and PET2(7M) (right). The total amount of product is consistent with Figure 6B.

以下、本開示の実施形態を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本開示の実施形態は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本開示の実施形態を制限するものではない。 Hereinafter, modes for implementing embodiments of the present disclosure will be described in detail. However, the embodiments of the present disclosure are not limited to the following embodiments. In the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not essential unless otherwise specified. The same applies to numerical values and their ranges, which do not limit the embodiments of the present disclosure.

本開示において「工程」との語及びこれに準ずる語には、他の工程から独立した工程に加え、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、当該工程も含まれる。
本開示において「~」を用いて示された数値範囲には、「~」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
In the present disclosure, the term "process" and equivalent terms include a process that is independent of other processes, and even if the process cannot be clearly distinguished from other processes, if the purpose of the process is achieved, This step is also included.
In the present disclosure, the numerical range indicated using "-" includes the numerical values before and after "-" as the minimum and maximum values, respectively.
In the numerical ranges described step by step in the present disclosure, the upper limit or lower limit of one numerical range may be replaced with the upper or lower limit of another numerical range described step by step. . Moreover, in the numerical ranges described in the present disclosure, the upper or lower limits of the numerical ranges may be replaced with the values shown in the examples.

本開示において、アミノ酸配列の「同一性」とは、比較する2つのアミノ酸配列を、アミノ酸残基の一致数が最大となるように、必要に応じて一方又は双方に適宜ギャップを挿入してアラインメントしたときの、全アミノ酸残基数における一致アミノ酸残基数の割合をいう。アラインメントは、BLAST、FASTA、CLUSTAL W等の周知のアラインメントツールを用いて行うことができる。例えば、アラインメントは、BLASTのデフォルトパラメータで評価することができる。 In the present disclosure, the "identity" of the amino acid sequences means that the two amino acid sequences to be compared are aligned with appropriate gaps inserted in one or both of them so that the number of matching amino acid residues is maximized. is the ratio of the number of matching amino acid residues to the total number of amino acid residues. Alignments can be performed using well-known alignment tools such as BLAST, FASTA, CLUSTAL W, and the like. For example, alignments can be evaluated with the default parameters of BLAST.

本開示において、基準とするアミノ酸配列と「X%以上の配列同一性を有する」とは、比較対象のアミノ酸配列の全長又は一部分が、基準とするアミノ酸配列の全長に対してX%以上の配列同一性を有することを意味する。 In the present disclosure, "having X% or more sequence identity" with a reference amino acid sequence means that the full length or part of the amino acid sequence to be compared is X% or more of the full length of the reference amino acid sequence. It means having identity.

本開示において、アミノ酸残基は以下の括弧内の一文字表記又は三文字表記で示すことがある。
アラニン(A、Ala)、アルギニン(R、Arg)、アスパラギン(N、Asn)、アスパラギン酸(D、Asp)、システイン(C、Cys)、グルタミン(Q、Gln)、グルタミン酸(E、Glu)、グリシン(G、Gly)、ヒスチジン(H、His)、イソロイシン(I、Ile)、ロイシン(L、Leu)、リシン(K、Lys)、メチオニン(M、Met)、フェニルアラニン(F、Phe)、プロリン(P、Pro)、セリン(S、Ser)、スレオニン(T、Thr)、トリプトファン(W、Trp)、チロシン(Y、Tyr)、バリン(V、Val)。
In the present disclosure, amino acid residues may be designated by their single-letter or three-letter abbreviations in parentheses below.
Alanine (A, Ala), Arginine (R, Arg), Asparagine (N, Asn), Aspartic acid (D, Asp), Cysteine (C, Cys), Glutamine (Q, Gln), Glutamic acid (E, Glu), Glycine (G, Gly), Histidine (H, His), Isoleucine (I, Ile), Leucine (L, Leu), Lysine (K, Lys), Methionine (M, Met), Phenylalanine (F, Phe), Proline (P, Pro), Serine (S, Ser), Threonine (T, Thr), Tryptophan (W, Trp), Tyrosine (Y, Tyr), Valine (V, Val).

本開示において、ペプチド又はタンパク質のアミノ酸変異は、変異前のアミノ酸の一文字表記、N末端からのアミノ酸位置番号、変異後のアミノ酸の一文字表記、の順に並べて表記することがある。例えば、「配列番号1のアミノ酸配列に対してR20Cの変異を有する」とは、配列番号1のN末端から数えて20番目のアルギニンがシステインに置換されていることを意味する。 In the present disclosure, amino acid mutations in peptides or proteins may be indicated in the order of the one-letter code for the amino acid before mutation, the amino acid position number from the N-terminus, and the one-letter code for the amino acid after mutation. For example, "having an R20C mutation in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1" means that the 20th arginine counted from the N-terminus of SEQ ID NO: 1 is substituted with cysteine.

本開示において、「Xのアミノ酸配列を含むタンパク質」とは、当該タンパク質のアミノ酸配列の全部又は一部がXのアミノ酸配列であることを意味する。すなわち、当該タンパク質は、Xのアミノ酸配列のみからなってもよく、Xのアミノ酸配列に加えて、Xのアミノ酸のN末端及びC末端の一方又は両方に付加配列(例えばタンパク質発現及び回収のための配列、例えばシグナル配列、タグ配列等)を有していてもよい。かかるシグナル配列、タグ配列等の付加配列は当業者に周知である。塩基配列についても同様であり、例えば「Yの塩基配列を含むポリヌクレオチド」とは、当該ポリヌクレオチドの塩基配列の全部又は一部がYの塩基配列であることを意味する。 In the present disclosure, "a protein comprising an amino acid sequence of X" means that all or part of the amino acid sequence of the protein is the amino acid sequence of X. That is, the protein may consist only of the amino acid sequence of X, and in addition to the amino acid sequence of X, additional sequences at one or both of the N-terminus and C-terminus of the amino acid of X (for example, sequences, such as signal sequences, tag sequences, etc.). Additional sequences such as signal sequences and tag sequences are well known to those skilled in the art. The same applies to base sequences. For example, "a polynucleotide containing a Y base sequence" means that all or part of the base sequence of the polynucleotide is a Y base sequence.

本開示において、タンパク質の「PET加水分解活性」は、測定対象のタンパク質とPETを所定の反応条件下に置いた後、HPLCで分解産物濃度を分析し、分解産物濃度の合計をタンパク質濃度及び反応時間で除算して得られる値とする。本開示におけるPET加水分解活性は、別段の指定がない場合、pH7.0における活性を表す。
カラム:Phenomenex Luna C18 (2)
溶離液:20mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)からメタノールまでの勾配
流量 :1ml/min.
カラム温度:25℃
検出 :210nm
注入量:10μL
In the present disclosure, the "PET hydrolysis activity" of a protein is obtained by placing the protein to be measured and PET under predetermined reaction conditions, analyzing the concentration of degradation products by HPLC, and determining the total concentration of degradation products as the protein concentration and reaction A value obtained by dividing by time. PET hydrolytic activity in this disclosure represents activity at pH 7.0 unless otherwise specified.
Column: Phenomenex Luna C18 (2)
Eluent: gradient flow rate from 20 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) to methanol: 1 ml/min.
Column temperature: 25°C
Detection: 210 nm
Injection volume: 10 μL

PETの加水分解による分解産物としては、図1に示すように、ビス(ヒドロキシエチル)テレフタレート(BHET)、(ヒドロキシエチル)テレフタレート(MHET)、テレフタル酸(TPA)、及びエチレングリコール(EG)が挙げられる。本開示のタンパク質によるPETの分解産物は、これらすべてであってもよく、これらのうち一部であってもよく、これらが連結した部分分解産物であってもよい。 Hydrolytic degradation products of PET include bis(hydroxyethyl) terephthalate (BHET), (hydroxyethyl) terephthalate (MHET), terephthalic acid (TPA), and ethylene glycol (EG), as shown in FIG. be done. The degradation products of PET by the protein of the present disclosure may be all of these, some of them, or partial degradation products in which these are linked.

<タンパク質>
本開示のタンパク質は、ポリエチレンテレフタレート加水分解活性を有する、以下のいずれかのアミノ酸配列を含むタンパク質である。
(A)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列;
(A1)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列と90%以上の配列同一性を有し、かつ前記R20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列;
(B)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列;
(B1)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列と90%以上の配列同一性を有し、かつ前記R20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列;
(C)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異を有するアミノ酸配列;又は
(C1)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異を有するアミノ酸配列と90%以上の配列同一性を有し、かつ前記R20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異を有するアミノ酸配列。
<Protein>
The protein of the present disclosure is a protein having polyethylene terephthalate hydrolysis activity and comprising any of the following amino acid sequences.
(A) an amino acid sequence having R20C and G62C mutations relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1;
(A1) an amino acid sequence having 90% or more sequence identity with an amino acid sequence having R20C and G62C mutations with respect to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, and having said R20C and G62C mutations;
(B) an amino acid sequence having mutations R20C, G62C, S129P, and T270P relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1;
(B1) has a sequence identity of 90% or more with the amino acid sequence having R20C, G62C, S129P, and T270P mutations with respect to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, and the R20C, G62C, S129P, and T270P mutations an amino acid sequence having
(C) an amino acid sequence having mutations R20C, G62C, S129P, T270P, G153A, E83K, and F78R relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO:1; or (C1) R20C, G62C, relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO:1; An amino acid sequence having 90% or more sequence identity with an amino acid sequence having mutations S129P, T270P, G153A, E83K, and F78R, and having mutations R20C, G62C, S129P, T270P, G153A, E83K, and F78R .

以下、便宜上、上記(A)のアミノ酸配列(配列番号2)を「アミノ酸配列A」とも称し、上記(A1)のアミノ酸配列(アミノ酸配列Aを除く)を「アミノ酸配列A1」とも称し、上記(B)のアミノ酸配列(配列番号3)を「アミノ酸配列B」とも称し、上記(B1)のアミノ酸配列(アミノ酸配列Bを除く)を「アミノ酸配列B1」とも称し、上記(C)のアミノ酸配列(配列番号4)を「アミノ酸配列C」とも称し、上記(C1)のアミノ酸配列(アミノ酸配列Cを除く)を「アミノ酸配列C1」とも称する。 Hereinafter, for convenience, the amino acid sequence of (A) (SEQ ID NO: 2) is also referred to as "amino acid sequence A", the amino acid sequence of (A1) (excluding amino acid sequence A) is also referred to as "amino acid sequence A1", and the above ( The amino acid sequence of B) (SEQ ID NO: 3) is also referred to as "amino acid sequence B", the amino acid sequence of (B1) (excluding amino acid sequence B) is also referred to as "amino acid sequence B1", and the amino acid sequence of (C) ( SEQ ID NO: 4) is also referred to as "amino acid sequence C", and the amino acid sequence of (C1) above (excluding amino acid sequence C) is also referred to as "amino acid sequence C1".

配列番号1は、PET2野生型の有するアミノ酸配列を示す。以下、配列番号1のアミノ酸配列を有するタンパク質をPET2野生型とも称する。発明者らは、PET2野生型に対して少なくともR20C及びG62Cの変異を有する上記タンパク質が、優れた耐熱性及びPET加水分解活性を有することを見出した。
アミノ酸配列Aは、PET2野生型に対してR20C及びG62Cの変異を少なくとも有する。R20C及びG62Cの変異はPET2の活性部位とは離れた位置に存在するが、驚くべきことに、これらの変異により耐熱性及び活性をいずれも向上できることが見出された。理論に拘束されないが、R20C及びG62Cの変異は、システイン残基対によりジスルフィド結合を形成し、タンパク質自体の安定性を向上させると推測される。
アミノ酸配列Bは、PET2野生型に対してR20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を少なくとも有する。理論に拘束されないが、S129P及びT270Pにより、タンパク質の可動域(不安定部位)に環状のプロリン残基が導入されることによって、タンパク質構造が安定化されると推測される。
アミノ酸配列Cは、PET2野生型に対してR20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K及びF78Rの変異を少なくとも有する。理論に拘束されないが、G153Aの変異は、PET2のα-ヘリックス内のグリシンをアラニンに置換することにより、構造の安定化に寄与していると推測される。F78Rの変異は、表面電荷を改変することにより、PET加水分解活性を増強すると推測される。また、E83Kの変異により、耐熱性が向上するが、この機序は明らかではない。
SEQ ID NO: 1 shows the amino acid sequence of PET2 wild type. Hereinafter, the protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 is also referred to as PET2 wild type. The inventors found that the above protein, which has at least R20C and G62C mutations relative to PET2 wild type, has excellent thermostability and PET hydrolytic activity.
Amino acid sequence A has at least the R20C and G62C mutations relative to the PET2 wild type. Although the R20C and G62C mutations are located away from the active site of PET2, it was surprisingly found that these mutations can improve both heat resistance and activity. Without being bound by theory, it is speculated that the R20C and G62C mutations form a disulfide bond with the cysteine residue pair and improve the stability of the protein itself.
Amino acid sequence B has at least the R20C, G62C, S129P, and T270P mutations relative to the PET2 wild type. Although not bound by theory, it is speculated that S129P and T270P stabilize the protein structure by introducing a cyclic proline residue into the flexible region (unstable site) of the protein.
Amino acid sequence C has at least the R20C, G62C, S129P, T270P, G153A, E83K and F78R mutations relative to the PET2 wild type. Without being bound by theory, it is speculated that the G153A mutation contributes to structural stabilization by substituting alanine for glycine in the α-helix of PET2. The F78R mutation is speculated to enhance PET hydrolytic activity by altering the surface charge. Also, the E83K mutation improves heat resistance, but the mechanism is not clear.

以下に、配列番号1のアミノ酸配列(PET2野生型のアミノ酸配列)及びアミノ酸配列A~Cを示す。囲み文字は変異部位を表す。 The amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 (PET2 wild-type amino acid sequence) and amino acid sequences A to C are shown below. Enclosed letters represent mutation sites.

Figure 2023058381000002
Figure 2023058381000002

本開示のタンパク質は、アミノ酸配列A~Cの配列を含むか、又はアミノ酸配列A~Cのいずれか1つと90%以上の配列同一性を有し、好ましくは、91%以上、92%以上、93%以上、94%以上、95%以上、96%以上、97%以上、98%以上、又は99%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を含み、かつ上述した特定の変異を有する。本開示のタンパク質は、アミノ酸配列Aに対して90%以上、91%以上、92%以上、93%以上、94%以上、95%以上、96%以上、97%以上、98%以上、又は99%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を含むものであってもよい。本開示のタンパク質は、上記アミノ酸配列を含み、かつPET加水分解活性を有するタンパク質である。前記PET加水分解活性は、pH7.0においてPET2野生型のPET加水分解活性よりも高いことが好ましい。この場合のPET加水分解活性の比較は、後述の方法により行う。 A protein of the present disclosure comprises the sequence of amino acid sequences A-C or has 90% or more sequence identity with any one of amino acid sequences A-C, preferably 91% or more, 92% or more, Include amino acid sequences having 93% or greater, 94% or greater, 95% or greater, 96% or greater, 97% or greater, 98% or greater, or 99% or greater sequence identity and having the specific mutations described above. The protein of the present disclosure is 90% or more, 91% or more, 92% or more, 93% or more, 94% or more, 95% or more, 96% or more, 97% or more, 98% or more, or 99% or more of amino acid sequence A It may also contain amino acid sequences with % or more sequence identity. The protein of the present disclosure is a protein containing the above amino acid sequence and having PET hydrolyzing activity. The PET hydrolyzing activity is preferably higher than that of PET2 wild type at pH 7.0. The comparison of PET hydrolysis activity in this case is performed by the method described later.

例えば、本開示のタンパク質は、PET加水分解活性を有する範囲で、上記アミノ酸配列同一性を維持し、かつアミノ酸配列A~Cのいずれかに対して1個又は2個以上のアミノ酸が欠失、置換、又は付加されたアミノ酸配列を含むものであってもよく、かつ上述した特定の変異を有する。この場合、欠失、置換、又は付加されるアミノ酸の個数は、タンパク質がPET加水分解活性を有する限り制限されず、例えば、1~28個、1~25個、1~20個、1~19個、1~18個、1~17個、1~16個、1~15個、1~14個、1~13個、1~12個、1~11個、1~10個、1~9個、1~8個、1~7個、1~6個、1~5個、1~4個、1~3個、又は1~2個であってもよい。欠失、置換、又は付加されるアミノ酸の位置は、例えば配列番号1のN末端から1~147番目、149~193番目、195~225番目、及び227~281番目に相当する範囲から選択されてもよい。 For example, the protein of the present disclosure maintains the above amino acid sequence identity and has one or more amino acids deleted from any of amino acid sequences A to C, as long as it has PET hydrolysis activity. It may contain substituted or added amino acid sequences and have the specific mutations described above. In this case, the number of amino acids to be deleted, substituted, or added is not limited as long as the protein has PET hydrolysis activity. 1-18, 1-17, 1-16, 1-15, 1-14, 1-13, 1-12, 1-11, 1-10, 1-9 1-8, 1-7, 1-6, 1-5, 1-4, 1-3, or 1-2. The amino acid positions to be deleted, substituted, or added are selected from the range corresponding to, for example, 1 to 147, 149 to 193, 195 to 225, and 227 to 281 from the N-terminus of SEQ ID NO: 1. good too.

一態様において、アミノ酸A1は、配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列と90%以上の配列同一性を有し、かつ前記R20C及びG62Cの変異を有し、かつS129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rからなる群より選択される少なくとも1つの変異をさらに有してもよい。
一態様において、アミノ酸B1は、配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列と90%以上の配列同一性を有し、かつ前記R20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有し、かつG153A、E83K、及びF78Rからなる群より選択される少なくとも1つの変異を有してもよい。
In one embodiment, amino acid A1 has 90% or more sequence identity with an amino acid sequence having R20C and G62C mutations with respect to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, and has said R20C and G62C mutations, and It may further have at least one mutation selected from the group consisting of S129P, T270P, G153A, E83K, and F78R.
In one aspect, amino acid B1 has 90% or more sequence identity with an amino acid sequence having mutations R20C, G62C, S129P, and T270P with respect to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, and said R20C, G62C, S129P , and T270P mutations, and at least one mutation selected from the group consisting of G153A, E83K, and F78R.

一態様において、本開示のタンパク質は、PET加水分解を有し、アミノ酸配列B、B1、C、又はC1のいずれかのアミノ酸配列を含むタンパク質であることが好ましく、アミノ酸配列C又はC1のいずれかのアミノ酸配列を含むタンパク質であることがより好ましい。 In one aspect, the protein of the present disclosure is a protein that has PET hydrolysis and preferably comprises the amino acid sequence of any of the amino acid sequences B, B1, C, or C1, and any of the amino acid sequences C or C1 More preferably, it is a protein comprising the amino acid sequence of

一態様において、本開示のタンパク質は、PET加水分解活性を有し、アミノ酸配列A~Cのいずれかのアミノ酸配列を含むタンパク質であることが好ましく、アミノ酸配列B又はCのいずれかのアミノ酸配列を含むタンパク質であることがより好ましく、アミノ酸配列Cのアミノ酸配列を含むタンパク質であることがさらに好ましい。 In one aspect, the protein of the present disclosure has PET hydrolysis activity and is preferably a protein comprising any one of amino acid sequences A to C, and any amino acid sequence of amino acid sequence B or C. A protein containing the amino acid sequence C is more preferable.

本開示のタンパク質は、PET加水分解活性を損なわない範囲で、N末端又はC末端に付加的なアミノ酸配列を有していてもよい。付加的なアミノ酸配列としては、本開示のタンパク質を組み換え技術により作製するための付加配列が挙げられる。かかる付加配列としては、タンパク質の合成開始点となるアミノ酸(N末端のメチオニン残基等)、N末端のシグナル配列(例えば、大腸菌におけるタンパク質分泌のためのシグナル配列)、タグ配列(例えば、ヒスチジンタグ、GSTタグ、FLAGタグ等)、プロテアーゼ認識配列(例えば、TEVプロテアーゼ認識配列)等が挙げられる。一態様において、付加的なアミノ酸配列は、N末端に付加される配列番号6のアミノ酸配列であってもよく、C末端に付加される配列番号7のアミノ酸配列と配列番号7のC末端にさらに付加される配列番号8のアミノ酸配列との組み合わせであってもよく、これらの組み合わせであってもよい。配列番号6~8は実施例の項に記載する。
付加的なアミノ酸配列のアミノ酸の個数は、タンパク質がPET加水分解活性を有する限り制限されず、例えば、1末端当たり1~50個、1~45個、1~40個、1~35個、1~30個、1~25個、1~20個、1~15個、1~10個、又は1~5個であってもよい。
例えば、本開示のタンパク質は、PET加水分解活性を損なわない範囲で、アミノ酸配列A、A1、B、B1、C、又はC1の配列のいずれかからなる配列のN末端又はC末端に、上記付加的なアミノ酸配列が付加されたものであってもよい。付加的なアミノ酸配列の詳細は上記のとおりである。
The protein of the present disclosure may have an additional amino acid sequence at the N-terminus or C-terminus as long as it does not impair the PET hydrolysis activity. Additional amino acid sequences include additional sequences for recombinant production of proteins of the present disclosure. Examples of such additional sequences include amino acids that serve as starting points for protein synthesis (N-terminal methionine residue, etc.), N-terminal signal sequences (eg, signal sequences for protein secretion in E. coli), tag sequences (eg, histidine tags). , GST tag, FLAG tag, etc.), protease recognition sequences (eg, TEV protease recognition sequences), and the like. In one aspect, the additional amino acid sequence may be the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6 added to the N-terminus, and the amino acid sequence of SEQ ID NO: 7 added to the C-terminus and the C-terminus of SEQ ID NO: 7. It may be a combination with the added amino acid sequence of SEQ ID NO: 8, or a combination thereof. SEQ ID NOs:6-8 are described in the Examples section.
The number of amino acids in the additional amino acid sequence is not limited as long as the protein has PET hydrolysis activity. It may be ˜30, 1-25, 1-20, 1-15, 1-10, or 1-5.
For example, the protein of the present disclosure can be added to the N-terminus or C-terminus of a sequence consisting of any one of the amino acid sequences A, A1, B, B1, C, or C1 to the extent that the PET hydrolysis activity is not impaired. A specific amino acid sequence may be added. Additional amino acid sequence details are provided above.

R20C及びG62Cの変異の箇所の2つのシステイン残基は、ジスルフィド結合を形成していることが好ましい。ジスルフィド結合の形成の有無はX線結晶構造解析により確認できる。 The two cysteine residues at the R20C and G62C mutations preferably form a disulfide bond. The presence or absence of disulfide bond formation can be confirmed by X-ray crystal structure analysis.

本開示のタンパク質のPET加水分解活性の至適pH(最も活性が高いpH)は特に制限されず、中性付近であることが実用上好ましい。例えば、至適pHはpH5.0~9.5であることが好ましく、pH5.5~9.0であることがより好ましく、pH6.0~8.0であってもよい。 The optimum pH for the PET hydrolysis activity of the protein of the present disclosure (the pH at which the activity is highest) is not particularly limited, and is practically preferably near neutral. For example, the optimum pH is preferably pH 5.0 to 9.5, more preferably pH 5.5 to 9.0, and may be pH 6.0 to 8.0.

PETは70℃付近にガラス転移温度を有し、PETの分解を高温で行うと分解効率が高まることが期待されることから、本開示のタンパク質のPET加水分解活性の至適温度(最も活性が高い温度)は、PET2野生型のPET加水分解活性の至適温度より高いことが好ましい。かかる観点から、本開示のタンパク質のPET加水分解活性の至適温度は、pH7.0において、60.0℃超であることが好ましく、65.0℃以上であることがより好ましい。また、PETの分解が促進される範囲で、低エネルギーで分解を行う観点からは、本開示のタンパク質のPET加水分解活性の至適温度は90.0℃以下であってもよく、85.0℃以下であってもよく、80.0℃以下であってもよい。
上記至適温度は以下のように測定する。2枚の非晶性PETディスク(厚さ0.25mm、表面積合計0.32cm、質量合計4.0mg)に、50mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)中の250μLの0.1μMタンパク質を添加し、各温度で60分間インキュベートする。HPLCで分解産物濃度を分析し、分解産物濃度の合計をタンパク質濃度及び反応時間で除算して、活性値を得る。
PET has a glass transition temperature around 70 ° C., and it is expected that decomposition efficiency will increase when PET is decomposed at a high temperature. The elevated temperature) is preferably above the optimum temperature for PET hydrolysis activity of PET2 wild type. From this point of view, the optimum temperature for the PET hydrolysis activity of the protein of the present disclosure is preferably above 60.0°C, more preferably 65.0°C or higher at pH 7.0. In addition, from the viewpoint of decomposing PET with low energy, the optimum temperature for the PET hydrolysis activity of the protein of the present disclosure may be 90.0 ° C. or less, and may be 85.0 ° C. ° C. or lower, or 80.0 ° C. or lower.
The optimum temperature is measured as follows. Two amorphous PET discs (thickness 0.25 mm, total surface area 0.32 cm 2 , total mass 4.0 mg) were loaded with 250 μL of 0.1 μM protein in 50 mM sodium phosphate solution (pH 7.0). and incubate for 60 minutes at each temperature. Analyze the degradation product concentration by HPLC and divide the total degradation product concentration by the protein concentration and reaction time to obtain the activity value.

同様の観点から、本開示のタンパク質の融解温度(Tm)は、PET2野生型のTmよりも高いことが好ましい。本開示のタンパク質のTmは70.0℃以上であることが好ましく、72.0℃以上であることがより好ましく、74.0℃以上であることがさらに好ましい。PETの分解が促進される範囲で、低エネルギーで分解を行うことが望ましいため、本開示のタンパク質の融解温度(Tm)は、100.0℃以下であってもよく、95.0℃以下であってもよく、90.0℃以下であってもよい。
本開示において、タンパク質の融解温度(Tm)は以下の手順で円偏光二色性(CD)スペクトルにより測定される。10mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)中の13μMのタンパク質溶液を調製する。20℃で250~200nmにおけるタンパク質のCDスペクトルを測定する。タンパク質を20℃から1℃/分の速度で加熱しながら、230nmにおけるタンパク質のシグナルを追跡する。95℃で、250~200nmにおける変性タンパク質のCDスペクトルを測定する。230nmにおけるシグナルの温度依存性のカーブフィッティングにより、タンパク質のTmを推定する。
From a similar point of view, the melting temperature (Tm) of the protein of the present disclosure is preferably higher than that of PET2 wild type. The Tm of the protein of the present disclosure is preferably 70.0° C. or higher, more preferably 72.0° C. or higher, and even more preferably 74.0° C. or higher. Since it is desirable to perform the decomposition at low energy within the range where the decomposition of PET is promoted, the melting temperature (Tm) of the protein of the present disclosure may be 100.0° C. or less, and may be 95.0° C. or less. It may be 90.0° C. or lower.
In the present disclosure, the melting temperature (Tm) of proteins is measured by circular dichroism (CD) spectrum according to the following procedure. A 13 μM protein solution in 10 mM sodium phosphate solution (pH 7.0) is prepared. CD spectra of proteins are measured at 250-200 nm at 20°C. The protein signal is followed at 230 nm as the protein is heated from 20° C. at a rate of 1° C./min. CD spectra of denatured proteins are measured at 250-200 nm at 95°C. Protein Tm is estimated by curve fitting the temperature dependence of the signal at 230 nm.

本開示のタンパク質をリサイクル用途に用いる場合の便宜性の観点から、タンパク質のPET加水分解活性はカルシウムイオン非依存性であることが好ましい。
本開示において、タンパク質のPET加水分解活性が「カルシウムイオン非依存性」であることは以下の手順で確認する。0、10、100、及び300mMのCaClを含むbis-Tris-HCl(pH7.0)中の0.1μMのタンパク質溶液の250μLを2枚の非晶性PETフィルム(厚さ0.25mm、表面積合計0.32cm、質量合計4.0mg)と共に60℃で60分間インキュベートする。インキュベーション後、上清を200μL回収し、60μLの超純水又はCaCl溶液と混合し、CaCl濃度を231mMに調整する。混合物をさらに68.6μLの1Mリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)と混合し、リン酸カルシウムを沈殿させる。0.22μmスピンカラムフィルターを用いて15,000gで3分間処理して沈殿物を除去する。HPLCで分解産物濃度を分析し、分解産物濃度の合計をタンパク質濃度及び反応時間で除算して、活性値を得る。PET加水分解活性が、CaCl濃度が0mMである場合と比べて、10、100、及び300mMである場合のいずれにおいても、PET加水分解活性が50%以上変化しない場合に、PET加水分解活性がカルシウム非依存性であると判断する。
From the viewpoint of convenience when using the protein of the present disclosure for recycling applications, it is preferred that the PET hydrolysis activity of the protein be calcium ion independent.
In the present disclosure, the fact that the PET hydrolysis activity of protein is "independent of calcium ions" is confirmed by the following procedure. Two pieces of amorphous PET film (0.25 mm thickness, surface area total 0.32 cm 2 , total mass 4.0 mg) at 60° C. for 60 minutes. After incubation, 200 μL of supernatant is collected and mixed with 60 μL of ultrapure water or CaCl 2 solution to adjust the CaCl 2 concentration to 231 mM. The mixture is further mixed with 68.6 μL of 1 M sodium phosphate buffer (pH 7.0) to precipitate calcium phosphate. The precipitate is removed using a 0.22 μm spin column filter at 15,000 g for 3 minutes. Analyze the degradation product concentration by HPLC and divide the total degradation product concentration by the protein concentration and reaction time to obtain the activity value. When the PET hydrolysis activity does not change by 50% or more when the PET hydrolysis activity is 10, 100, or 300 mM compared to when the CaCl concentration is 0 mM, the PET hydrolysis activity is Judged to be calcium independent.

本開示のタンパク質のpH7.0におけるPET加水分解活性は、PET2野生型のpH7.0における加水分解活性より高いことが好ましく、例えばPET2野生型のpH7.0における加水分解活性より2.0倍以上高いことが好ましく、3.0倍以上高いことがより好ましく、4.0倍以上高いことがさらに好ましく、5.0倍以上高いことが特に好ましい。
PET2野生型と変異体のPET加水分解活性の比較は、それぞれのタンパク質の至適温度での活性の比較により行う。この場合の反応条件は以下の条件とする。2枚の非晶性PETディスク(厚さ0.25mm、表面積合計0.32cm、質量合計4.0mg)に、50mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)中の250μLの0.1μMタンパク質を添加し、至適温度で60分間インキュベートする。HPLCで分解産物濃度を分析し、分解産物濃度の合計をタンパク質濃度及び反応時間で除算して、活性値を得る。
The PET hydrolysis activity of the protein of the present disclosure at pH 7.0 is preferably higher than the hydrolysis activity of PET2 wild type at pH 7.0, for example, 2.0 times or more than the hydrolysis activity of PET2 wild type at pH 7.0. It is preferably high, more preferably 3.0 times or more, more preferably 4.0 times or more, and particularly preferably 5.0 times or more.
A comparison of the PET hydrolytic activity of the PET2 wild type and mutants is made by comparing the activity of each protein at the optimum temperature. The reaction conditions in this case are as follows. Two amorphous PET discs (thickness 0.25 mm, total surface area 0.32 cm 2 , total mass 4.0 mg) were loaded with 250 μL of 0.1 μM protein in 50 mM sodium phosphate solution (pH 7.0). and incubate at the optimum temperature for 60 minutes. Analyze the degradation product concentration by HPLC and divide the total degradation product concentration by the protein concentration and reaction time to obtain the activity value.

本開示のタンパク質は、ポリヌクレオチドを利用して、公知の遺伝子工学的手法で製造することができる。例えば、対象となるタンパク質のアミノ酸配列をコードするポリヌクレオチドを作製し、これを発現ベクターに組み込んで組換えベクターを取得し、これを宿主に導入して形質転換体を得る。得られた形質転換体を培養することにより、目的のタンパク質を産生させる。得られたタンパク質を常法により回収することにより、本開示のタンパク質を得ることができる。 The protein of the present disclosure can be produced by known genetic engineering techniques using polynucleotides. For example, a polynucleotide encoding the amino acid sequence of the target protein is prepared, incorporated into an expression vector to obtain a recombinant vector, and introduced into a host to obtain a transformant. The target protein is produced by culturing the resulting transformant. The protein of the present disclosure can be obtained by collecting the obtained protein by a conventional method.

本開示のタンパク質の用途は特に制限されず、例えば、PETを分解してリサイクルするために用いることができる。また、本開示のタンパク質による分解産物をさらにMHETaseといった分解酵素と作用させることで、テレフタル酸やエチレングリコールの製造に用いることもできる。 Applications of the protein of the present disclosure are not particularly limited, and can be used, for example, to degrade and recycle PET. In addition, the decomposition product of the protein of the present disclosure can be used for the production of terephthalic acid and ethylene glycol by reacting it with a degrading enzyme such as MHETase.

<ポリヌクレオチド、組換えベクター、形質転換体>
本開示のポリヌクレオチドは、本開示のタンパク質をコードする塩基配列を含む。
本開示の組換えベクターは、前記ポリヌクレオチドを含む。
本開示の形質転換体は、前記組換えベクターを含む。
<Polynucleotide, Recombinant Vector, Transformant>
Polynucleotides of this disclosure include base sequences that encode proteins of this disclosure.
A recombinant vector of the present disclosure comprises the polynucleotide.
A transformant of the present disclosure contains the recombinant vector.

ポリヌクレオチドは、本開示のタンパク質をコードする任意のポリヌクレオチドであってよい。ポリヌクレオチドの核酸配列は、コドンの縮重の範囲内で変化させることができる。組換えベクターを宿主に導入して形質転換体を得て、タンパク質を発現させる場合、宿主において使用頻度の高いコドンを採用することが好ましい。一態様において、大腸菌を宿主とする発現系を用いる場合、R20C及びG62Cのシステイン残基にTGCコドン、S129P及びT270Pのプロリン残基にCCGコドン、G153Aのアラニン残基にGCGコドン、E83Kのリシン残基にAAAコドン、F78Rのアルギニン残基にCGCコドンを用いてもよい。 A polynucleotide may be any polynucleotide that encodes a protein of the present disclosure. The nucleic acid sequence of a polynucleotide can vary within codon degeneracy. When introducing a recombinant vector into a host to obtain a transformant and expressing a protein, it is preferable to adopt codons that are frequently used in the host. In one aspect, when using an expression system using E. coli as a host, a TGC codon for the cysteine residues of R20C and G62C, a CCG codon for the proline residues of S129P and T270P, a GCG codon for the alanine residue of G153A, and a lysine residue of E83K An AAA codon may be used as the base, and a CGC codon may be used as the arginine residue of F78R.

組換えベクターは、本開示のタンパク質を発現可能な任意の組換えベクターであってよい。好ましい組換えベクターとしては、プラスミド、ファージ等が挙げられる。発現ベクターは、発現に必要なプロモーターを有し、ターミネーター、選択マーカー(薬剤耐性遺伝子等)などの他の構成要素を有してもよい。
宿主は、本開示のタンパク質を発現可能であれば特に制限されず、用いる組換えベクターと併せて選択される。宿主として、微生物細胞を用いることが簡便であり、例えば、原核生物(例えば、大腸菌)、真核生物(例えば、酵母)等を用いてもよい。
発現ベクター及び宿主を用いてタンパク質の作製を行う際の、形質転換、発現、及び回収における条件は、当業者に周知の方法を採用できる。
A recombinant vector may be any recombinant vector capable of expressing a protein of the present disclosure. Preferred recombinant vectors include plasmids, phages and the like. The expression vector has a promoter required for expression and may have other components such as a terminator and a selectable marker (drug resistance gene, etc.).
The host is not particularly limited as long as it can express the protein of the present disclosure, and is selected together with the recombinant vector to be used. It is convenient to use microbial cells as hosts, and for example, prokaryotes (eg, E. coli), eukaryotes (eg, yeast), and the like may be used.
Methods well known to those skilled in the art can be adopted for the conditions for transformation, expression, and recovery when producing a protein using an expression vector and host.

<ポリエチレンテレフタレート分解用組成物>
本開示のPET分解用組成物は、本開示のタンパク質を含む。本開示のタンパク質は、未精製の状態(例えば、タンパク質を発現する宿主を含む状態、又はタンパク質を発現する宿主から分泌された粗タンパク質液を含む状態)、又は精製された状態で組成物に含まれていてもよく、好ましくは精製された状態で組成物に含まれる。
<Composition for decomposition of polyethylene terephthalate>
A PET degrading composition of the present disclosure comprises a protein of the present disclosure. The proteins of the present disclosure may be included in the composition in an unpurified state (e.g., containing a protein-expressing host, or containing a crude protein fluid secreted from a protein-expressing host), or in a purified state. may be contained in the composition, preferably in a purified state.

PET分解用組成物は、本開示のタンパク質の他に、タンパク質の安定化に適する緩衝液等を含んでもよい。緩衝液としては、溶液を中性付近に維持する緩衝液が好ましく、例えば、リン酸緩衝液、リン酸ナトリウム緩衝液、Tris-HCl緩衝液、HEPES等が挙げられる。 The composition for PET decomposition may contain, in addition to the protein of the present disclosure, buffers and the like suitable for protein stabilization. As the buffer, a buffer that maintains a solution near neutrality is preferred, and examples thereof include phosphate buffer, sodium phosphate buffer, Tris-HCl buffer, HEPES and the like.

PET分解用組成物は、カルシウム塩等の塩を含んでもよいが、リサイクル用途を考慮すると、塩の含有率は可能な限り低いことが好ましい。PET分解用組成物において、塩濃度は、50mM以下であることが好ましく、30mM以下であることがより好ましく、20mM以下であることがさらに好ましい。 The PET decomposition composition may contain salts such as calcium salts, but the salt content is preferably as low as possible in consideration of recycling applications. In the composition for decomposing PET, the salt concentration is preferably 50 mM or less, more preferably 30 mM or less, and even more preferably 20 mM or less.

PET分解用組成物は、本開示のタンパク質及び緩衝液の他、安定化剤等の添加剤を含んでもよい。 The composition for PET decomposition may contain additives such as stabilizers in addition to the protein and buffer solution of the present disclosure.

<リサイクル品の製造方法>
本開示のリサイクル品の製造方法は、本開示のタンパク質によりPETを分解することを含む。PETの分解は、PETと本開示のタンパク質を接触させることにより行うことができる。例えば、前述のPET分解用組成物を用いてPETの分解を行ってもよい。
PETとしては、例えば廃PETを利用することができる。
分解反応は、前述の至適pH及び至適温度に近い条件で行うことが好ましい。例えば、分解反応は、好ましくはpH5.0~9.5、より好ましくはpH5.5~9.0の範囲で行われ、pH6.0~8.0の範囲で行ってもよい。分解反応は、上記pHを維持するための適切な緩衝液内で行われることが好ましい。緩衝液としては、上述した緩衝液が挙げられる。また、分解反応は、好ましくは60.0℃超、より好ましくは65.0℃以上の温度で行われる。分解反応の温度の上限は、好ましくは100.0℃未満、より好ましくは95.0℃未満、さらに好ましくは90.0℃未満の温度で行われる。
分解のための反応時間は、リサイクル品の製造に十分な分解が可能であれば、特に制限されない。本開示のタンパク質を用いれば効率的なPET加水分解が可能であるため、反応時間の短縮が期待される。例えば、反応時間は、3日以内でもよく、2日以内でもよく、24時間以内でもよく、18時間以内でもよく、12時間以内でもよく、6時間以内でもよく、3時間以内でもよく、2時間以内でもよく、1時間以内でもよい。十分に分解を行う観点からは、反応時間は10分以上でもよく、30分以上でもよい。反応産物は、十分に再重合可能な状態まで(例えば、基質となるPETの70質量%以上、80質量%以上、又は90質量%以上が分解されるまで)分解されていることが好ましい。
<Manufacturing method for recycled products>
The method of manufacturing a recycled product of the present disclosure includes degrading PET with the protein of the present disclosure. Degradation of PET can be performed by contacting PET with the protein of the present disclosure. For example, PET may be decomposed using the aforementioned PET decomposing composition.
Waste PET, for example, can be used as PET.
The decomposition reaction is preferably carried out under conditions close to the optimum pH and optimum temperature described above. For example, the decomposition reaction is preferably carried out in the range of pH 5.0-9.5, more preferably in the range of pH 5.5-9.0, and may be carried out in the range of pH 6.0-8.0. The decomposition reaction is preferably carried out in a suitable buffer to maintain the above pH. Buffers include the buffers described above. Also, the decomposition reaction is preferably carried out at a temperature above 60.0°C, more preferably above 65.0°C. The upper limit of the decomposition reaction temperature is preferably less than 100.0°C, more preferably less than 95.0°C, and even more preferably less than 90.0°C.
The reaction time for decomposition is not particularly limited as long as sufficient decomposition for production of recycled products is possible. Efficient PET hydrolysis is possible using the protein of the present disclosure, and shortening of the reaction time is expected. For example, the reaction time may be within 3 days, within 2 days, within 24 hours, within 18 hours, within 12 hours, within 6 hours, within 3 hours, or 2 hours. It may be within 1 hour. From the viewpoint of sufficient decomposition, the reaction time may be 10 minutes or longer, or 30 minutes or longer. The reaction product is preferably decomposed to a sufficiently repolymerizable state (for example, until 70% by mass or more, 80% by mass or more, or 90% by mass or more of the substrate PET is decomposed).

一態様において、PETの分解後、分解産物を回収する。回収方法は特に制限されず、公知の方法で行い得る。回収後、分離、抽出、吸着、濃縮、ろ過等の公知の方法により精製してもよい。
分解産物を、再重合によりポリマーを合成するために再利用することによって、リサイクル品を製造できる。分解産物は、PETの製造のために再利用されてもよく、その他のポリマーの製造のために再利用されてもよい。
In one embodiment, after degradation of PET, degradation products are recovered. The recovery method is not particularly limited, and can be performed by a known method. After recovery, it may be purified by known methods such as separation, extraction, adsorption, concentration, and filtration.
Recycled products can be produced by reusing the degradation products to synthesize polymers by repolymerization. The degradation products may be reused for the production of PET and may be reused for the production of other polymers.

次に本開示の実施形態を実施例により具体的に説明するが、本開示の実施形態はこれらの実施例に限定されない。 EXAMPLES Next, the embodiments of the present disclosure will be specifically described with reference to examples, but the embodiments of the present disclosure are not limited to these examples.

以下の実施例では、PET2変異体を、大腸菌で発現及び分泌させるためのシグナル配列(27アミノ酸)を用いているため、N末端からのアミノ酸位置番号は、シグナル配列を含むN末端からの位置番号で表されている。例えば、上述の本開示のタンパク質における、配列番号1に対するR20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異は、以下の実施例では、それぞれ、PET2野生型に対するR47C、G89C、S156P、T297P、G180A、E110K、及びF105Rの変異に対応する。実施例で用いられたPET2(7M)のアミノ酸配列(配列番号5)(N末端のシグナル配列、並びにC末端のプロテアーゼ認識部位及びヒスチジンタグを含む)、並びにこれに含まれるシグナル配列(配列番号6;配列番号5の1~27番目)、プロテアーゼ認識配列(配列番号7;配列番号5の309~315番目)及びヒスチジンタグ(配列番号8:配列番号5の316~321番目)を以下に示す。配列番号5における囲み文字は変異部位を表し、網掛け文字はN末端側からそれぞれシグナル配列、並びにプロテアーゼ認識部位及びヒスチジンタグを含むタグ配列を表す。実施例で用いられたPET2(2M)は、配列番号5に表示される変異のうち、F105R及びE110Kのみを有するものである。実施例で用いられたPET2(4M)は、配列番号5に表示される変異のうち、F105R、E110K、S156P及びT297Pのみを有するものである。実施例で用いられたPET2(5M)は、配列番号5に表示される変異のうち、F105R、E110K、S156P、T297P、及びG180Aのみを有するものである。 In the following examples, a signal sequence (27 amino acids) for expression and secretion of PET2 mutants in E. coli is used, so the amino acid position number from the N-terminus is the position number from the N-terminus containing the signal sequence. is represented by For example, the R20C, G62C, S129P, T270P, G153A, E83K, and F78R mutations relative to SEQ ID NO: 1 in the proteins of the present disclosure described above are, in the examples below, R47C, G89C, S156P, respectively, relative to PET2 wild type. Corresponds to the T297P, G180A, E110K, and F105R mutations. The amino acid sequence (SEQ ID NO: 5) of PET2 (7M) used in the Examples (including the N-terminal signal sequence and the C-terminal protease recognition site and histidine tag), and the signal sequence contained therein (SEQ ID NO: 6 1 to 27 of SEQ ID NO: 5), a protease recognition sequence (SEQ ID NO: 7; 309 to 315 of SEQ ID NO: 5) and a histidine tag (SEQ ID NO: 8: 316 to 321 of SEQ ID NO: 5) are shown below. Enclosed letters in SEQ ID NO: 5 represent the mutation sites, and shaded letters represent the signal sequence, protease recognition site and tag sequence including histidine tag from the N-terminal side. PET2(2M) used in the examples has only F105R and E110K among the mutations shown in SEQ ID NO:5. PET2(4M) used in the examples has only F105R, E110K, S156P and T297P among the mutations shown in SEQ ID NO:5. PET2(5M) used in the examples has only F105R, E110K, S156P, T297P, and G180A among the mutations displayed in SEQ ID NO:5.

Figure 2023058381000003
Figure 2023058381000003

以下に、配列番号5に対応するPET2(7M)の塩基配列(配列番号9)(終止コドンを含む)を示す。 The base sequence (SEQ ID NO: 9) of PET2 (7M) corresponding to SEQ ID NO: 5 (including a termination codon) is shown below.

Figure 2023058381000004
Figure 2023058381000004

1.緒論
合成ポリマーで構成されるプラスチックは比較的安価で加工性に優れ、現代社会で広く扱われている(1)。しかしながら、持続可能性の観点から、これらによる環境汚染が深刻な問題となっている。特に、ポリエチレンテレフタレート(PET)は大量に生産され、飲料ボトル、衣類、包装材等に広く用いられている(2)。PETは物理的及び化学的に安定な結晶構造を形成でき(3)、エンジニアリングプラスチックに分類される。この安定性により、PETは環境中に長期間残留すると考えられる(4)
1. Introduction Plastics, which are composed of synthetic polymers, are relatively cheap and easy to process, and are widely used in modern society (1) . However, from the viewpoint of sustainability, environmental pollution by these has become a serious problem. In particular, polyethylene terephthalate (PET) is produced in large quantities and is widely used for beverage bottles, clothing, packaging, etc. (2) . PET can form a physically and chemically stable crystalline structure (3) and is classified as an engineering plastic. This stability is believed to allow PET to persist in the environment for long periods (4) .

PETは生分解に対して高い耐性を有するが、その分子鎖はテレフタル酸(TPA)とエチレングリコール(EG)のカルボン酸エステルにより構成される。したがって、エステラーゼはPETを加水分解により分解する能力を有するはずである。効率的なPET加水分解酵素として最初に報告された酵素はThermobifida fuscaに由来するクチナーゼ(TfH)である(5)。クチナーゼ(EC3.1.1.74)は一般的には植物のワックス層(クチン)の加水分解酵素として登録されているが、Mullerらは、TfHがPET加水分解活性を有することも見出している。2016年には、PETを炭素源とし、PET加水分解酵素(IsPETase)を産生する細菌であるIdeonella sakaiensis 201-F6が発見された(6)。以来、IsPETaseの構造決定、反応メカニズムなど、IsPETaseに関する多くの研究が活発に行われてきた(7-10)。IsPETaseはPET加水分解酵素(EC3.1.1.101)に分類されるが、熱安定性が低く産業的利用が困難であるため、熱安定性を向上した様々な変異体が報告されている(9、11)。かかる観点からは、いくつかのクチナーゼのほうがIsPETaseよりも熱安定性が高く、熱安定PET加水分解酵素の構築に適したテンプレートであるといえる。最も期待されるPET加水分解酵素として、枝葉コンポスト由来クチナーゼ(leaf-branch compost cutinase、LCC)が挙げられる(12)。また、Thermobifida fusca由来のクチナーゼ(TfCut2)は高い熱安定性及び活性を有し(13)、Saccharomonospora viridis由来のクチナーゼ(Cut190)も熱安定性及び活性を改良したものとして作製されている(14、15)。さらに、リパーゼ(EC3.1.1.3)もカルボン酸エステル加水分解酵素の一部であり、PET(16)、ポリ(テトラメチレンサクシネート)(17)、ポリ(ω-ヒドロキシアルカン酸)(18)などのポリエステルに対する加水分解活性を有するものがある。最近、ゼラチン分解リアクターのメタゲノムライブラリーからリパーゼとしてクローン化された酵素(19)が、PET加水分解酵素であるPET2として再発見された(20)。PET2は、人工的な高温環境から得られた遺伝子ライブラリーから見出された熱安定性酵素であり、耐熱性PET加水分解酵素の候補の1つである。 Although PET is highly resistant to biodegradation, its molecular chain is composed of carboxylic acid esters of terephthalic acid (TPA) and ethylene glycol (EG). Therefore, an esterase should have the ability to hydrolytically degrade PET. The first reported efficient PET hydrolase was cutinase (TfH) from Thermobifida fusca (5) . Although cutinase (EC 3.1.1.74) is generally registered as a hydrolase of plant waxy layers (cutin), Muller et al. also found that TfH has PET hydrolysis activity. . In 2016, Ideonella sakaiensis 201-F6, a bacterium that uses PET as a carbon source and produces PET hydrolase (IsPETase) was discovered (6) . Since then, many studies on IsPETase have been actively carried out, such as determination of the structure of IsPETase and reaction mechanism (7-10) . IsPETase is classified as a PET hydrolase (EC 3.1.1.101), but its low thermostability makes industrial use difficult, and various mutants with improved thermostability have been reported. (9, 11) . From this point of view, it can be said that some cutinases are more thermostable than IsPETase and are suitable templates for constructing thermostable PET hydrolases. The most promising PET hydrolase is leaf-branch compost cutinase (LCC) (12) . Thermobifida fusca-derived cutinase (TfCut2) has high thermostability and activity (13) , and Saccharomonospora viridis-derived cutinase (Cut190) has also been produced with improved thermostability and activity (14, 15) . In addition, lipases (EC 3.1.1.3) are also part of the carboxylic acid ester hydrolases, PET (16) , poly(tetramethylene succinate) (17) , poly(ω-hydroxyalkanoic acid) ( 18) have hydrolytic activity on polyesters. Recently, an enzyme cloned as a lipase from a gelatinolysis reactor metagenomic library (19) was rediscovered as PET hydrolase, PET2 (20) . PET2 is a thermostable enzyme discovered from a gene library obtained from an artificial high-temperature environment, and is one of candidates for thermostable PET hydrolase.

PETは水不溶性の合成ポリマーであり、その酵素分解は固液界面で発生する不均一反応である(図1参照)。さらに、PETは分解されやすい非晶性領域と分解されにくい結晶性領域とを有するため、PET加水分解酵素は、PETの非晶性領域の特に可動域を優先的に加水分解すると予想される(12、13、21)。天然ポリマーのなかでは、植物細胞壁の主要構成要素であるセルロースや甲殻類及び菌類の細胞壁の成分であるキチンも水不溶性の結晶性多糖類である(22、23)。これらの水不溶性ポリマーの効率的な分解のためには、固相表面への酵素の結合が重要である。そのため、結晶性セルロースや結晶性キチンに高い分解活性を有するセルラーゼやキチナーゼは、結晶性ポリマー表面に高い親和性で結合するためのドメイン構造を有する(24)。この知見と一致して、IsPETaseは他のカルボキシエステラーゼと比較して酵素表面により多くの塩基性アミノ酸残基を有し、これらの正に帯電した残基がPET分解活性に寄与することが報告されている(25)PET is a water-insoluble synthetic polymer, and its enzymatic degradation is a heterogeneous reaction occurring at the solid-liquid interface (see FIG. 1). Furthermore, since PET has an amorphous region that is easily degraded and a crystalline region that is not easily degraded, PET hydrolases are expected to preferentially hydrolyze the amorphous region of PET, especially the mobile region ( 12, 13, 21) . Among natural polymers, cellulose, a major constituent of plant cell walls, and chitin, a component of crustacean and fungal cell walls, are also water-insoluble crystalline polysaccharides (22, 23) . Enzyme binding to the solid surface is important for efficient degradation of these water-insoluble polymers. Therefore, cellulases and chitinases, which have high degradative activity on crystalline cellulose and crystalline chitin, have domain structures for binding with high affinity to the surface of crystalline polymers (24) . Consistent with this finding, IsPETase has more basic amino acid residues on the enzyme surface compared to other carboxyesterases, and these positively charged residues were reported to contribute to PET degradation activity. (25) .

固体基質への結合親和性は、通常、生化学的吸着測定により得られる解離定数(又は結合定数)を使用して定量的に比較される。しかしながら、この定数は、結合速度定数に対する解離速度定数の比率であるため、生化学的測定のみに基づいて、いずれの速度定数が解離定数の変化の原因であるかを明確に特定することは困難である。したがって、セルラーゼ及びキチナーゼの分析では、単一分子蛍光イメージングを使用して、結合速度定数及び解離速度定数が直接測定されてきた(26-28)。単一分子分析により、結合に重要なアミノ酸残基、及び、細菌由来のセルラーゼと糸状菌由来のセルラーゼとの間でセルロースへの結合に対する各ドメインの寄与についての相違を特定することが可能となった。 Binding affinities to solid substrates are typically compared quantitatively using dissociation constants (or binding constants) obtained by biochemical adsorption measurements. However, since this constant is the ratio of the dissociation rate constant to the association rate constant, it is difficult to unambiguously identify which rate constant is responsible for the change in dissociation constant based on biochemical measurements alone. is. Therefore, cellulase and chitinase assays have used single-molecule fluorescence imaging to directly measure the association and dissociation rate constants (26-28) . Single-molecule analysis allowed us to identify amino acid residues important for binding and differences in the contribution of each domain to cellulose binding between cellulases from bacteria and fungi. rice field.

本研究では、最初に、水溶性モデル基質としてビス(2-ヒドロキシエチル)テレフタレート(BHET)を使用して、PET2野生型(WT)の反応の熱安定性と至適pHを調査した。次に、単一変異のスクリーニング及び単一変異の組み合わせに基づき、PET2野生型に7つまでの変異を導入した。その結果、熱安定性とPET加水分解活性が大幅に向上したPET2変異体を特定することに成功した。X線結晶構造解析により変異酵素の構造を決定し、熱安定性及び吸着特性に寄与する変異に起因する構造変化を検証した。分解活性が増強されるメカニズムを解明するために、単一分子蛍光イメージングを使用して、PET薄膜上で、最も良い結果を示した変異体と野生型との吸着特性を比較した。最後に、変異酵素の分解活性の温度依存性を評価し、24時間までの分解実験により長期熱安定性を試験した。 In this study, we first investigated the thermal stability and pH optimum of the PET2 wild-type (WT) reaction using bis(2-hydroxyethyl)terephthalate (BHET) as a water-soluble model substrate. Up to 7 mutations were then introduced into PET2 wild type based on single mutation screening and single mutation combination. As a result, we succeeded in identifying a PET2 mutant with greatly improved thermostability and PET hydrolysis activity. The structure of the mutated enzyme was determined by X-ray crystallography to verify structural changes due to mutations that contribute to thermostability and adsorption properties. To elucidate the mechanism by which the degradation activity is enhanced, single-molecule fluorescence imaging was used to compare the adsorption properties of the best-performing mutant and wild-type on PET thin films. Finally, we evaluated the temperature dependence of the degradation activity of the mutant enzymes and tested long-term thermal stability by degradation experiments up to 24 hours.

2.材料及び方法
2.1 変異位置の選択のためのPET2野生型構造のホモロジーモデリング
SWISS-MODELサーバー(29)を用いて、IsPETase(PDB ID:6EQE)の結晶構造をテンプレートとして、PET2野生型のホモロジーモデリング構造を構築した。次に、IsPETaseの結晶構造とPET2野生型のモデリング構造をPymolでアラインメントし、IsPETaseの特有の塩基性残基と有効な変異の位置に対応するPET2の変異位置を選択した。
2. Materials and Methods 2.1 Homology Modeling of PET2 Wild-type Structure for Selection of Mutation Positions Using the SWISS-MODEL server (29) , the crystal structure of IsPETase (PDB ID: 6EQE) was used as a template to model the homology of PET2 wild-type. A modeling structure was constructed. The crystal structure of IsPETase and the modeling structure of PET2 wild type were then aligned in Pymol, and mutation positions of PET2 corresponding to the unique basic residues of IsPETase and the positions of valid mutations were selected.

2.2 プラスミド構築と酵素精製
アルカリ耐熱性リパーゼlipIAF5-2として登録され(UniProt: C3RYL0)(19)、最近PET加水分解活性を有することからPET2に改名された酵素の遺伝子(20)を、C末端でTEVプロテアーゼ認識配列(ENLYFQG)及びヒスチジン-6タグの配列と融合した遺伝子を合成した。この遺伝子をpET27bプラスミドにNdeI-NotI部位でライゲーションした。pET27bのpelBリーダー配列に代えて、lipIAF5-2のシグナル配列を使用した。OverExpress E.coli C41(DE3)(Lucigen社)をこのプラスミドで形質転換し、50μg/mLのカナマイシンを含むLBプレートに播種した。コロニーを20mLのsuper broth培地(2.5w/v%トリプトン、1.5w/v%酵母エキス、0.5w/v%塩化ナトリウム)に回収し、50μg/mLカナマイシンを含む700mLのsuper broth培地に接種した。フラスコを140rpm、37℃で3時間振とうし、その後30分間氷冷した。700μLの1M IPTGをフラスコに添加し、16℃、140rpmで16時間インキュベートした。3000g、20分間の遠心分離により細胞を回収した。
2.2 Plasmid Construction and Enzyme Purification The gene (20) of the enzyme registered as alkaline thermostable lipase lipIAF5-2 (UniProt: C3RYL0) (19) and recently renamed PET2 due to its PET hydrolyzing activity was transformed into C A gene was synthesized fused at the end with a TEV protease recognition sequence (ENLYFQG) and a histidine-6 tag sequence. This gene was ligated into the pET27b plasmid at the NdeI-NotI sites. The signal sequence of lipIAF5-2 was used instead of the pelB leader sequence of pET27b. Over ExpressE. E. coli C41(DE3) (Lucigen) was transformed with this plasmid and plated on LB plates containing 50 μg/mL kanamycin. Colonies were collected in 20 mL super broth medium (2.5 w/v % tryptone, 1.5 w/v % yeast extract, 0.5 w/v % sodium chloride) and transferred to 700 mL super broth medium containing 50 µg/mL kanamycin. inoculated. The flask was shaken at 140 rpm and 37° C. for 3 hours, followed by ice cooling for 30 minutes. 700 μL of 1 M IPTG was added to the flask and incubated at 16° C., 140 rpm for 16 hours. Cells were harvested by centrifugation at 3000 g for 20 minutes.

回収した細胞を、1g/mL濃度の100mM塩化ナトリウムを含む50mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)に懸濁した。超音波処理により細胞を破壊し、懸濁液を20,000gで20分間遠心分離した。上清を、100mM塩化ナトリウムを含む50mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)で平衡化した5mLのNi-NTAアガロース(Qiagen社)にロードした。未結合画分を50mLの同じ緩衝液で洗浄し、50mMイミダゾールを含む50mLの同じ緩衝液で混入物質を洗浄した。精製酵素を、100mMイミダゾールを含む緩衝液で溶出した。この酵素をVivaspin20(分子量カットオフ=10K;Sartorius社)により8000gで500μLに濃縮し、100mM塩化ナトリウムを含む50mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)で平衡化したNAP10カラム(Cytiva社)にロードした。400μMの酵素1mLあたり、100μLの5mg/mL TEVプロテアーゼを添加し、16℃で16時間インキュベートした。酵素/TEVプロテアーゼ混合溶液を、100mM塩化ナトリウムを含む50mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)で平衡化した1mLのNi-NTAアガロースにロードし、未結合酵素を同じ緩衝液で溶出した。溶出した酵素をVivaspin20(分子量カットオフ=10K)により8000gで500μLに濃縮し、10mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)で平衡化したSuperdex 75 Increase(Cytiva社)にロードした。各画分の純度をSDS-PAGEで確認し、純粋な酵素を高濃度で含む3画分をガラスバイアルに収集した。280nmと340nmの吸光度の差から酵素濃度を計算した。野生型の分子吸光係数はε280=52,420M-1cm-1であった。 Collected cells were suspended in 50 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) containing 100 mM sodium chloride at a concentration of 1 g/mL. Cells were disrupted by sonication and the suspension was centrifuged at 20,000 g for 20 minutes. The supernatant was loaded onto 5 mL of Ni-NTA agarose (Qiagen) equilibrated with 50 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) containing 100 mM sodium chloride. The unbound fraction was washed with 50 mL of the same buffer and contaminants were washed with 50 mL of the same buffer containing 50 mM imidazole. Purified enzyme was eluted with a buffer containing 100 mM imidazole. The enzyme was concentrated to 500 μL at 8000 g with Vivaspin20 (molecular weight cutoff=10K; Sartorius) and loaded onto a NAP10 column (Cytiva) equilibrated with 50 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) containing 100 mM sodium chloride. bottom. 100 μL of 5 mg/mL TEV protease was added per mL of 400 μM enzyme and incubated at 16° C. for 16 hours. The enzyme/TEV protease mixture was loaded onto 1 mL of Ni-NTA agarose equilibrated with 50 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) containing 100 mM sodium chloride and unbound enzyme was eluted with the same buffer. The eluted enzyme was concentrated to 500 μL at 8000 g with Vivaspin 20 (molecular weight cutoff=10 K) and loaded onto Superdex 75 Increase (Cytiva) equilibrated with 10 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0). The purity of each fraction was checked by SDS-PAGE and 3 fractions containing high concentrations of pure enzyme were collected in glass vials. Enzyme concentration was calculated from the difference in absorbance at 280 nm and 340 nm. The molecular extinction coefficient of wild-type was ε 280 =52,420 M −1 cm −1 .

PET2変異体の遺伝子をPCRにより構築した。変異を含むプライマーペアを使用し、生成物を、NEBuilder HiFi Assembly(New England Biolabs社)により製造元の指示に従ってライゲーションした。ライゲーションしたプラスミドをTuner(DE3)コンピテントセル(Novagen社)に形質転換し、細胞を37℃で1時間インキュベートした後、50μg/mLカナマイシンを含むLB寒天プレートに播種した。単一コロニーを10mLのLB培地に接種し、37℃、140rpmで16時間インキュベートした。細胞からプラスミドを精製し、コード領域の配列を確認した。変異酵素を、野生型と同じ手順で精製した。R47C-G89C又はL265C-A295Cを含む変異体の分子吸光係数はε280=52,540M-1cm-1であり、Y262C-L298Cを含む変異体の分子吸光係数はε280=51,280M-1cm-1であり、W174H又はQ134Yを含む変異体の分子吸光係数はそれぞれε280=46,730M-1cm-1又はε280=53,600M-1cm-1であった。 Genes for PET2 mutants were constructed by PCR. A primer pair containing the mutation was used and the product was ligated by the NEBuilder HiFi Assembly (New England Biolabs) according to the manufacturer's instructions. Ligated plasmids were transformed into Tuner (DE3) competent cells (Novagen) and the cells were incubated at 37° C. for 1 hour before being plated on LB agar plates containing 50 μg/mL kanamycin. A single colony was inoculated into 10 mL of LB medium and incubated at 37° C., 140 rpm for 16 hours. Plasmids were purified from cells and the sequence of the coding region was confirmed. The mutant enzyme was purified using the same procedure as the wild type. The molecular extinction coefficient for variants containing R47C-G89C or L265C-A295C is ε 280 =52,540 M −1 cm −1 and for variants containing Y262C-L298C is ε 280 =51,280 M −1 . cm −1 and the molecular extinction coefficients of variants containing W174H or Q134Y were ε 280 =46,730 M −1 cm −1 or ε 280 =53,600 M −1 cm −1 , respectively.

結晶化用の酵素は、若干異なる手順で精製した。ヒスチジン-6タグでアフィニティー精製を行った後、酵素溶液を10mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)でNAP10から溶出し、10mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)で平衡化した5mLのToyopearl DEAE-650にロードした。未結合酵素を同じ緩衝液で溶出し、Vivaspin20(分子量カットオフ=10K)により8000gで濃縮した。500μLの酵素溶液を、10mMのTris-HCl緩衝液(pH7.5)で平衡化したSuperdex 75 Increase(Cytiva社)にロードした。溶出した酵素をVivaspin20(分子量カットオフ=10K)により8000gで濃縮した。 Enzyme for crystallization was purified by a slightly different procedure. After affinity purification with a histidine-6 tag, the enzyme solution was eluted from NAP10 with 10 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) and 5 mL of Toyopearl equilibrated with 10 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0). Loaded on DEAE-650. Unbound enzyme was eluted with the same buffer and concentrated at 8000 g with Vivaspin 20 (molecular weight cutoff = 10K). 500 μL of enzyme solution was loaded onto Superdex 75 Increase (Cytiva) equilibrated with 10 mM Tris-HCl buffer (pH 7.5). The eluted enzyme was concentrated at 8000 g with Vivaspin 20 (molecular weight cutoff = 10K).

単一分子蛍光イメージングでは、Alexa Fluor 555マレイミドによる標識のために、PET2野生型及びPET2(7M)(R47C-G89C-F105R-E110K-S156P-G180A-T297P)のC末端にシステイン残基(Cys309)を追加した。この酵素を、活性測定と同じ手順で精製した。精製した酵素を1mM DTTを用いて25℃で1時間還元し、反応混合物を10mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)で平衡化したNAP5カラムにロードした。DMSOに溶解させたAlexa Fluor 555マレイミドを、25℃で1時間酵素と混合した。酵素とAlexa Fluor 555の混合比は1:3(モル比)とした。VIVAspin20により8000gで濃縮し、続いて10mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)で平衡化されたNAP10カラムにより未反応色素を除去した。650nm~250nmの範囲で吸収スペクトルを測定した後、標識酵素は4℃で保存した。Alexa Fluor 555の分子吸光係数はε556=158,000M-1cm-1であった。吸収スペクトルから、Alexa Fluor 555の280nmでの吸光度は556nmでの吸光度の5.5%と算出された。補正後のPET2野生型-C309とPET2(7M)-C309の標識率はそれぞれ109%と122%であった。対照実験として、C309を有しないPET2野生型及びPET2(7M)に対する標識反応を併せて行ったところ、PET2野生型とPET2(7M)の標識率はそれぞれ3.4%と7.1%であり、主にC309がAlexa Fluor 555マレイミドと反応したことが確認された。 For single-molecule fluorescence imaging, a cysteine residue (Cys309) was added to the C-terminus of PET2 wild-type and PET2(7M) (R47C-G89C-F105R-E110K-S156P-G180A-T297P) for labeling with Alexa Fluor 555 maleimide. added. This enzyme was purified by the same procedure as for activity measurement. The purified enzyme was reduced with 1 mM DTT at 25° C. for 1 hour and the reaction mixture was loaded onto a NAP5 column equilibrated with 10 mM sodium phosphate solution (pH 7.0). Alexa Fluor 555 maleimide dissolved in DMSO was mixed with the enzyme for 1 hour at 25°C. The mixing ratio of the enzyme and Alexa Fluor 555 was 1:3 (molar ratio). Concentration by VIVAspin20 at 8000 g followed by removal of unreacted dye by NAP10 column equilibrated with 10 mM sodium phosphate solution (pH 7.0). After measuring the absorption spectrum in the range of 650 nm to 250 nm, the labeled enzyme was stored at 4°C. The molecular extinction coefficient of Alexa Fluor 555 was ε 556 =158,000 M −1 cm −1 . From the absorption spectrum, the absorbance of Alexa Fluor 555 at 280 nm was calculated to be 5.5% of the absorbance at 556 nm. The corrected labeling rates of PET2 wild-type-C309 and PET2(7M)-C309 were 109% and 122%, respectively. As a control experiment, labeling reactions against PET2 wild-type and PET2(7M) without C309 were performed together, and the labeling rates of PET2 wild-type and PET2(7M) were 3.4% and 7.1%, respectively. , mainly C309 was confirmed to react with Alexa Fluor 555 maleimide.

2.3 モデル基質を使用した熱安定性と至適pHの測定
100mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)に溶解した1μMのPET2野生型を、様々な温度(40~90℃)で1時間インキュベートした後、氷冷した。続いてこの酵素を200mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)で200nMに希釈した。25μLの酵素溶液を、同体積の超純水中の2mM BHETと混合し、60℃で10分間インキュベートした。10μLの反応混合物をLUNA C18カラム(Phenomenex社)にインジェクションし、テレフタル酸(TPA)、モノ-2-ヒドロキシエチルテレフタレート(MHET)、及びBHETを、20mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)からメタノールまでの勾配で分離した。各化合物を210nmの吸光度で検出した。TPAとBHETは東京化成工業株式会社から購入し、MHETはActiva Scientific社から購入した。活性値は、生成物の総濃度(μM)を酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(600秒)で除算して算出した。
2.3 Determination of Thermostability and pH Optimum Using Model Substrates 1 μM PET2 wild type dissolved in 100 mM sodium phosphate solution (pH 7.0) was incubated at various temperatures (40-90° C.) for 1 hour. After that, it was ice-cooled. The enzyme was subsequently diluted to 200 nM with a 200 mM sodium phosphate solution (pH 7.0). 25 μL of enzyme solution was mixed with an equal volume of 2 mM BHET in ultrapure water and incubated at 60° C. for 10 minutes. 10 μL of the reaction mixture was injected onto a LUNA C18 column (Phenomenex) and terephthalic acid (TPA), mono-2-hydroxyethyl terephthalate (MHET), and BHET were added from 20 mM sodium phosphate buffer (pH 7.0) to methanol. separated with a gradient of up to Each compound was detected by absorbance at 210 nm. TPA and BHET were purchased from Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., and MHET was purchased from Activa Scientific. Activity values were calculated by dividing the total product concentration (μM) by the enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (600 seconds).

PET2野生型のBHET加水分解活性を、pHの異なる各種緩衝液でも測定した(pH3.0の場合はクエン酸ナトリウム緩衝液、pH4.0及びpH5.0の場合は酢酸ナトリウム緩衝液、pH6.0及びpH7.0の場合はリン酸ナトリウム緩衝液、pH8.0の場合はTris-HCl緩衝液、pH9.0の場合はグリシン-NaOH緩衝液、pH10.0の場合はホウ酸-NaOH緩衝液)。200mM緩衝液中の200nM酵素25μLを、同体積の超純水中の2mM BHETと混合し、60℃で10分間インキュベートした。酵素の非存在下におけるBHETの自然分解をバックグラウンドとして差し引いた。生成物の分離及び検出の手順は上記と同様とした。活性値は、生成物の総濃度(μM)を酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(600秒)で除算して算出した。 The BHET hydrolytic activity of PET2 wild type was also measured in different pH buffers (sodium citrate buffer for pH 3.0, sodium acetate buffer for pH 4.0 and pH 5.0, pH 6.0 and sodium phosphate buffer for pH 7.0, Tris-HCl buffer for pH 8.0, glycine-NaOH buffer for pH 9.0, boric acid-NaOH buffer for pH 10.0) . 25 μL of 200 nM enzyme in 200 mM buffer was mixed with an equal volume of 2 mM BHET in ultrapure water and incubated at 60° C. for 10 minutes. Spontaneous degradation of BHET in the absence of enzyme was subtracted as background. The product separation and detection procedures were the same as above. Activity values were calculated by dividing the total product concentration (μM) by the enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (600 seconds).

2.4 PETフィルム分解活性
非晶性PETフィルム(厚さ=0.25mm、コードES301445)及び二軸配向(結晶性)PETフィルム(厚さ=0.25mm、コードES301450)はGoodfellow社から購入した。このPETフィルムを打ち抜いて、円形ディスク(直径3mm、表面積0.16cm/ディスク、2.0mg/非晶性ディスク、2.3mg/結晶性ディスク)を作製した。次に、PETディスクを20体積%エタノールに浸漬して洗浄し、25℃、20rpmで1時間インキュベートした。洗浄したディスクを室温で乾燥させ、ガラスバイアルに保管した。
2.4 PET Film Degradation Activity Amorphous PET films (thickness = 0.25 mm, code ES301445) and biaxially oriented (crystalline) PET films (thickness = 0.25 mm, code ES301450) were purchased from Goodfellow. . This PET film was punched to produce circular discs (3 mm diameter, surface area 0.16 cm 2 /disc, 2.0 mg/amorphous disc, 2.3 mg/crystalline disc). The PET disc was then immersed in 20% by volume ethanol, washed, and incubated at 25° C., 20 rpm for 1 hour. The washed discs were dried at room temperature and stored in glass vials.

2枚のPETディスク(0.32cm、非晶性ディスク4.0mg)をガラスバイアルに挿入し、50mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)中に溶解させた250μLの0.1μM酵素を添加して分解を開始させた。反応混合物を60℃で60分間インキュベートした。上清を収集し、BHET加水分解の分析と同じ手順によりHPLCで生成物濃度を分析した。活性値は生成物の濃度(μM)の合計を酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(60分)で除算して算出した。 Two PET discs (0.32 cm 2 , 4.0 mg amorphous discs) were inserted into a glass vial and 250 μL of 0.1 μM enzyme dissolved in 50 mM sodium phosphate solution (pH 7.0) was added. to initiate decomposition. The reaction mixture was incubated at 60°C for 60 minutes. Supernatants were collected and analyzed for product concentration by HPLC using the same procedure for analysis of BHET hydrolysis. Activity values were calculated by dividing the total product concentration (μM) by the enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (60 minutes).

上記と同じ手順で、60℃~80℃の範囲で反応至適温度を評価した。活性値は生成物の濃度(μM)の合計を酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(60分)で除算して算出した。また、同様の手順で中程度の温度(30℃)での活性測定を960分間(16時間)行った。活性値は生成物の濃度(μM)の合計を酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(960分)で除算して算出した。長期分解アッセイのため、2枚のPETディスク(0.32cm、非晶性ディスク4.0mg又は結晶性ディスク4.6mg)を、50mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)中の0.1μM PET2野生型250μLと合わせて60℃の条件で、及び50mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)中の0.1μM PET2(7M)と合わせて68℃の条件で、1、2、4、8、16、及び24時間インキュベートした。 The optimum reaction temperature was evaluated in the range of 60°C to 80°C by the same procedure as above. Activity values were calculated by dividing the total product concentration (μM) by the enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (60 minutes). In addition, the activity was measured for 960 minutes (16 hours) at moderate temperature (30° C.) in the same manner. Activity values were calculated by dividing the total product concentration (μM) by the enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (960 min). For long-term degradation assays, two PET discs (0.32 cm 2 , 4.0 mg amorphous disc or 4.6 mg crystalline disc) were added to 0.1 μM PET2 in 50 mM sodium phosphate solution (pH 7.0). 1, 2, 4, 8, 16 with 250 μL wild type at 60° C. and with 0.1 μM PET2 (7 M) in 50 mM sodium phosphate solution (pH 7.0) at 68° C. , and incubated for 24 hours.

2.5 CDスペクトルによる熱安定性測定
石英セルに10mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)中の13μM酵素400μLを入れ、ペルチェ恒温セルホルダー(日本分光株式会社(JASCO))を備えたJ-1500KSを使用して、20℃で250~200nmにおける酵素のCDスペクトルを測定した。酵素を20℃から95℃に1℃/分の速度で加熱しながら、230nmにおけるシグナルを追跡した。250~200nmにおける変性酵素のCDスペクトルを95℃で測定した。変性タンパク質解析ソフトウェア(日本分光株式会社(JASCO))を使用して、230nmにおけるシグナルの温度依存性のカーブフィッティングにより、酵素の融解温度(Tm)を推定した。
2.5 Thermal stability measurement by CD spectrum J-1500KS equipped with 400 μL of 13 μM enzyme in 10 mM sodium phosphate solution (pH 7.0) in a quartz cell and equipped with a Peltier thermostatic cell holder (JASCO Corporation (JASCO)). was used to measure the CD spectrum of the enzyme at 250-200 nm at 20°C. The signal at 230 nm was followed while the enzyme was heated from 20°C to 95°C at a rate of 1°C/min. The CD spectrum of the denatured enzyme at 250-200 nm was measured at 95°C. The melting temperature (Tm) of the enzyme was estimated by curve fitting the temperature dependence of the signal at 230 nm using denaturing protein analysis software (JASCO).

2.6 X線結晶構造解析
1μLの精製PET2(2M)(F105R-E110K変異体)(40mg/mL)を100mM Tris-HCl(pH8.0)中の1M硫酸アンモニウム1μLと混合し、20℃でインキュベートした。1μLの精製PET2(7M)(80mg/mL)を100mM Tris-HCl(pH7.5)中の10w/v%PEG3350の1μLと混合し、20℃でインキュベートした。回折測定の直前に、30体積%エチレングリコールを含むリザーバーに両結晶を浸漬した。SWISS-MODELサーバー(29)で構築されたPET2野生型のホモロジーモデリング構造を用いて、phaserによる分子置換によって位相を決定した。Phenix refineプログラム(30)を使用してモデル構造を精密化し、Coot(31)で改善した。PDB2PQR(32)を使用してpH7.0での酵素のプロトン化状態を算出し、APBS(33)を用いて表面電荷を算出し、Pymolで描画した。
2.6 X-ray crystallography 1 μL of purified PET2 (2M) (F105R-E110K variant) (40 mg/mL) was mixed with 1 μL of 1 M ammonium sulfate in 100 mM Tris-HCl (pH 8.0) and incubated at 20°C. bottom. 1 μL of purified PET2 (7M) (80 mg/mL) was mixed with 1 μL of 10 w/v % PEG3350 in 100 mM Tris-HCl (pH 7.5) and incubated at 20°C. Both crystals were immersed in a reservoir containing 30% by volume ethylene glycol immediately prior to diffraction measurements. Using the homology modeling structure of PET2 wild type built on the SWISS-MODEL server (29) , phases were determined by molecular replacement with phaser. The model structure was refined using the Phenix refine program (30) and improved with Coot (31) . PDB2PQR (32) was used to calculate the protonation state of the enzyme at pH 7.0 and APBS (33) to calculate the surface charge and plotted in Pymol.

2.7 結合及び解離の単一分子蛍光イメージング
作製した全反射蛍光顕微鏡を使用して25℃での観察を行った。細かく切断した非晶性PETフィルム50mgを1mLのヘキサフルオロ-2-プロパノールに溶解し、20mLのアセトンで沈殿させて、PETフィルム上の自家蛍光性の混入物質を除去した。20,000g、5分間の遠心分離後、上清を除去し、沈殿物を5mLのアセトンに懸濁した。20,000g、5分間の遠心分離後、上清を除去し、70℃で1時間、沈殿物を完全に乾燥させ、1mLのヘキサフルオロ-2-プロパノールに溶解した。PET溶液をヘキサフルオロ-2-プロパノールで5mg/mLとなるように希釈し、希釈したPET溶液50μLを、10M KOHで一晩インキュベートして洗浄したカバーガラス上に、3000rpmで10秒間スピンコートし、その後、超純水で十分に洗浄した。PETでスピンコートされたカバーガラスを室温で一晩乾燥させた。カバーガラス上に形成されたPET薄膜を明視野像として観察した。Alexa Fluor 555で標識した酵素を50mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)で50pMに希釈し、カバーガラス上のPET薄膜に滴下した後、トップコート壁でカバーして酵素溶液を保持した。電力密度0.25μW/μmのレーザーにより532nmで試料面の色素を励起させ、蛍光画像を5フレーム/秒で1000秒間記録した。単一分子観察後、PET薄膜を10nMの色素標識酵素溶液で染色し、PETで覆われた面積を算出した。結合速度定数解析では、各動画において時間の関数として結合分子の累積個数をカウントし、酵素分子100個の結合に要した時間を測定した。その後100(分子)を所要時間で除算し、得られた値をさらに視野内のPET薄膜の面積及び溶液中の酵素濃度で除算することにより結合速度定数を推定した。したがって結合速度定数の単位はs-1μm-2-1である。視野内のPET薄膜の平均面積は、PET2野生型及びPET2(7M)においてそれぞれ163±31μm及び169±19μmであった。解離速度定数は、個々の分子の結合時間の分布を二重指数関数的減衰関数の合計でフィッティングすることにより得た。フィッティング曲線の面積から、遅い解離イベントと速い解離イベントの比率を推定した。
2.7 Single Molecule Fluorescence Imaging of Binding and Dissociation Observation was performed at 25° C. using the fabricated total internal reflection fluorescence microscope. 50 mg of finely chopped amorphous PET film was dissolved in 1 mL of hexafluoro-2-propanol and precipitated with 20 mL of acetone to remove autofluorescent contaminants on the PET film. After centrifugation at 20,000 g for 5 minutes, the supernatant was removed and the precipitate was suspended in 5 mL of acetone. After centrifugation at 20,000 g for 5 minutes, the supernatant was removed and the precipitate was completely dried at 70° C. for 1 hour and dissolved in 1 mL of hexafluoro-2-propanol. The PET solution was diluted to 5 mg/mL with hexafluoro-2-propanol, and 50 μL of the diluted PET solution was spin-coated at 3000 rpm for 10 seconds onto coverslips that had been incubated overnight in 10 M KOH and washed, After that, it was thoroughly washed with ultrapure water. The PET spin-coated coverslips were dried overnight at room temperature. The PET thin film formed on the cover glass was observed as a bright field image. The enzyme labeled with Alexa Fluor 555 was diluted to 50 pM with a 50 mM sodium phosphate solution (pH 7.0), dropped onto the PET thin film on the cover glass, and then covered with a topcoat wall to retain the enzyme solution. A laser with a power density of 0.25 μW/μm 2 excited the dye on the sample surface at 532 nm and fluorescence images were recorded at 5 frames/second for 1000 seconds. After single-molecule observation, the PET thin film was stained with a 10 nM dye-labeled enzyme solution, and the area covered by PET was calculated. For binding rate constant analysis, the cumulative number of bound molecules was counted as a function of time in each movie, and the time required for the binding of 100 enzyme molecules was determined. The binding rate constant was then estimated by dividing 100 (molecules) by the required time and further dividing the resulting value by the area of the PET thin film within the field of view and the enzyme concentration in the solution. The binding rate constant thus has units of s −1 μm −2 M −1 . The average area of PET thin films in the field was 163±31 μm 2 and 169±19 μm 2 in PET2 wild-type and PET2(7M), respectively. Dissociation rate constants were obtained by fitting the distribution of binding times of individual molecules with a sum of double exponential decay functions. The ratio of slow to fast dissociation events was estimated from the area of the fitted curve.

Alexa Fluor 555の光退色時間を確認するため、50μLの100pM PET2-Alexa Fluor 555をカバーガラスに3000rpmで10秒間直接スピンコーティングした。結合及び解離の単一分子イメージングと同条件で、20μLの50mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)を滴下した後、カバーガラスに強固に結合した酵素分子を観察した。各スポットの光退色時間の分布を単一指数関数的減衰関数によりフィッティングし、時定数を38.1秒と推定した。 To check the photobleaching time of Alexa Fluor 555, 50 μL of 100 pM PET2-Alexa Fluor 555 was directly spin-coated onto the coverslip at 3000 rpm for 10 seconds. After dropping 20 μL of 50 mM sodium phosphate solution (pH 7.0) under the same conditions as for single-molecule imaging of binding and dissociation, enzyme molecules firmly bound to the cover glass were observed. The distribution of photobleaching times for each spot was fitted with a single exponential decay function and the time constant was estimated to be 38.1 seconds.

2.8 単一分子イメージングに使用したPET薄膜の分解アッセイ
単一分子イメージングの場合と同じ方法でPET薄膜を作製した。50mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)中の0.1μM PET2野生型又はPET2(7M)の50μLをフィルムに滴下し、室温(約26℃)で60分間インキュベートした。液滴の蒸発を防ぐため、PET薄膜でコーティングしたカバーガラスをペトリ皿で覆った。インキュベーション後、液滴を回収し、生成物濃度をHPLCにより分析した。活性値は、生成物濃度(μM)の合計を酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(60分)で除算して算出した。
2.8 Degradation Assay for PET Thin Films Used for Single Molecule Imaging PET thin films were prepared in the same manner as for single molecule imaging. 50 μL of 0.1 μM PET2 wild type or PET2 (7 M) in 50 mM sodium phosphate solution (pH 7.0) was dropped onto the film and incubated for 60 minutes at room temperature (approximately 26° C.). A cover glass coated with a PET thin film was covered with a Petri dish to prevent evaporation of the droplets. After incubation, the droplets were collected and analyzed by HPLC for product concentration. Activity values were calculated by dividing the total product concentration (μM) by the enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (60 min).

2.9 Alexa Fluor 555標識酵素の活性測定
50mMリン酸ナトリウム溶液(pH7.0)中のAlexa Fluor 555で標識した、又は標識しない、0.1μM PET2野生型又はPET2(7M)の250μLを、2枚の非晶性PETフィルムのディスク(0.32cm、4.0mg)と共に60℃で60分間インキュベートした。インキュベーション後、上清を回収し、HPLCにより生成物濃度を分析した。活性値は、生成物濃度(μM)の合計を酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(60分)で除算して算出した。
2.9 Activity Measurement of Alexa Fluor 555-Labeled Enzyme It was incubated with a disk of amorphous PET film (0.32 cm 2 , 4.0 mg) at 60° C. for 60 minutes. After incubation, supernatants were collected and analyzed for product concentration by HPLC. Activity values were calculated by dividing the total product concentration (μM) by the enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (60 min).

2.10 PET2野生型によるPET分解活性のCa2+依存性
0、10、100、及び300mMのCaClを含むbis-Tris-HCl(pH7.0)中の0.1μM PET2野生型の250μLを2枚の非晶性PETフィルムのディスク(0.32cm、4.0mg)と合わせて60℃で60分間インキュベートした。インキュベーション後、上清を200μL回収し、60μLの超純水又はCaCl溶液と混合し、CaCl濃度を231mMに調整した。混合物をさらに68.6μLの1Mリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)と混合し、リン酸カルシウムを沈殿させた。0.22μmスピンカラムフィルターを用いて15,000gで3分間処理して沈殿物を除去し、10μLのフロースルーをHPLCにインジェクションした。活性値は、生成物濃度(μM)の合計を酵素濃度(0.1μM)及び反応時間(60分)で除算して算出した。
2.10 Ca 2+ dependence of PET degrading activity by PET2 wild type A disk of amorphous PET film (0.32 cm 2 , 4.0 mg) was combined and incubated at 60° C. for 60 minutes. After incubation, 200 μL of supernatant was collected and mixed with 60 μL of ultrapure water or CaCl2 solution to adjust the CaCl2 concentration to 231 mM. The mixture was further mixed with 68.6 μL of 1 M sodium phosphate buffer (pH 7.0) to precipitate calcium phosphate. Precipitates were removed using a 0.22 μm spin column filter at 15,000 g for 3 minutes and 10 μL of flow-through was injected into the HPLC. Activity values were calculated by dividing the total product concentration (μM) by the enzyme concentration (0.1 μM) and reaction time (60 min).

2.11 示差走査熱量測定(DSC)及びX線回折(XRD)によるPETフィルムの結晶化度評価
非晶性PETフィルム及び二軸配向結晶性PETフィルムを直径5mmに打ち抜き、分解活性測定と同じ手順で洗浄した。1枚のディスクをアルミ皿に入れ、示差走査熱量計(DSC)(モデルDSC-60、株式会社島津製作所)で熱流を測定した。ディスクは30℃から290℃まで10℃/分で加熱した。ヘキサフルオロ-2-プロパノール溶液からの再生PETの測定のため、単一分子イメージングで使用した50mg/μL PET溶液の50μLをアルミ皿に滴下し、室温で2時間乾燥させる操作を2回行った。両PETフィルムに対して同じ手順で熱流を測定した。ピーク面積から熱結晶化と熱融解を推定し、当該結晶化熱及び融解熱の差から吸熱量(ΔH)を算出した。完全結晶PETの融解熱(ΔH)は140.1J/gであり、ΔHとΔHから両PETフィルムの結晶化度を算出した(34)。本研究で用いた非晶性PET、結晶性PET、及び再生PETの結晶化度の推定値はそれぞれ0.02%、59.3%、及び5.89%であった。
2.11 Crystallinity evaluation of PET films by differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD) Amorphous PET films and biaxially oriented crystalline PET films were punched to a diameter of 5 mm, and the same procedure as for decomposition activity measurement was performed. washed with One disk was placed in an aluminum dish and the heat flow was measured with a differential scanning calorimeter (DSC) (model DSC-60, Shimadzu Corporation). The disc was heated from 30°C to 290°C at 10°C/min. For measurement of regenerated PET from the hexafluoro-2-propanol solution, 50 μL of the 50 mg/μL PET solution used in single-molecule imaging was dropped onto an aluminum dish and dried at room temperature for 2 hours. The heat flow was measured with the same procedure for both PET films. Thermal crystallization and thermal melting were estimated from the peak area, and the endothermic amount (ΔH) was calculated from the difference between the heat of crystallization and the heat of fusion. The heat of fusion (ΔH 0 ) of fully crystalline PET was 140.1 J/g, and the degree of crystallinity of both PET films was calculated from ΔH and ΔH 0 (34) . The crystallinity estimates for amorphous PET, crystalline PET, and recycled PET used in this study were 0.02%, 59.3%, and 5.89%, respectively.

PETフィルムのX線回折(XRD)は、RINT-UltimaIII(株式会社リガク)を用いて行った。PETフィルムをステージに固定し、25℃で、銅ターゲットからのX線回折(40mA、40kV)を回折角3°~90°で測定した。非晶性PETはピークを示さず、結晶性PETは[100]結晶面に相当する強いピークを示した。 X-ray diffraction (XRD) of the PET film was performed using RINT-Ultima III (Rigaku Corporation). The PET film was fixed on a stage, and X-ray diffraction from a copper target (40 mA, 40 kV) was measured at diffraction angles of 3° to 90° at 25°C. Amorphous PET showed no peak and crystalline PET showed a strong peak corresponding to the [100] crystal plane.

3.結果
3.1 PET2野生型の熱安定性と至適pH
PET2野生型を、中程度に水溶性のPET構成ブロックであるBHETと共にインキュベートし、産生されたMHETをHPLCで定量した(本試験条件ではTPAは検出されなかった)。pH7.0で、40~90℃の間の各温度での1時間処理後の残留活性を調べることによりPET2野生型の熱安定性を評価した。65℃までは、1.3s-1の分解活性が維持されていた。一方70℃を超える温度では、活性はほぼ検出されなかった(図2A)。分解活性は60℃、pH3.0~pH10.0の条件でも測定し、pH6.0、60℃にて最も高い活性が見られた(図2B)。このため、60℃、pH7.0を標準反応条件とした。
3. Results 3.1 PET2 Wild-type Thermostability and pH Optimum
PET2 wild-type was incubated with BHET, a moderately water-soluble PET building block, and the MHET produced was quantified by HPLC (TPA was not detected under the conditions tested). The thermostability of PET2 wild-type was evaluated by examining the residual activity after treatment for 1 hour at each temperature between 40 and 90° C. at pH 7.0. A decomposition activity of 1.3 s -1 was maintained up to 65°C. At temperatures above 70° C., on the other hand, almost no activity was detected (FIG. 2A). Degradation activity was also measured at pH 3.0 to pH 10.0 at 60° C., and the highest activity was observed at pH 6.0 and 60° C. (FIG. 2B). Therefore, the standard reaction conditions were 60° C. and pH 7.0.

次に、pH7.0でPET2野生型のCDスペクトルを20℃及び95℃で比較した(図2C)。20℃でのPET2野生型のCDスペクトルは、α-ヘリックスとβ-シートの混合を示し、さらに約230nmで下向きのピークが観察された。95℃でのCDスペクトルは、短波長範囲ではランダムコイルのように見えたが、二次構造由来のシグナルも残っていた。α-ヘリックスとβ-シートにそれぞれ対応する222nm、215nmでのシグナル差が20℃と95℃の間であまり大きくなかったため、PET2野生型のTmはトリプトファン残基に基づく230nmのシグナル変化に基づいて算出した(35)。その結果、PET2野生型のTmは69.0℃と推定され(図2D)、この値は熱処理後の分解活性と整合するものであった(図2A)。 Next, the CD spectra of PET2 wild type at pH 7.0 were compared at 20°C and 95°C (Fig. 2C). The CD spectrum of PET2 wild-type at 20° C. showed a mixture of α-helices and β-sheets, and a downward peak was observed at about 230 nm. The CD spectrum at 95° C. appeared random coil-like in the short wavelength range, but also retained signals from secondary structures. Since the signal difference at 222 nm, 215 nm corresponding to α-helix and β-sheet, respectively, was not very large between 20 °C and 95 °C, the Tm of PET2 wild-type was based on the signal change at 230 nm due to tryptophan residues. calculated (35) . As a result, the Tm of PET2 wild type was estimated to be 69.0° C. (FIG. 2D), which was consistent with the degradation activity after heat treatment (FIG. 2A).

クチナーゼLCC、TfCut2、及びCut190の熱安定性及びPET分解活性はCa2+存在下で増強されることが報告されているため(36-38)、PET2野生型のPET分解活性のCa2+依存性を試験した。PET2野生型では、生産物の産生濃度は、10mM及び100mMのCa2+存在下において、Ca2+非存在下に比べて1.1倍となるにすぎなかった。300mMのCaClでも、PET分解活性はCa2+非存在下と同程度であった。これらの結果から、以下の実験では、CaClの非存在下でPET2変異体のPET分解活性を測定している。 Since the thermostability and PET degrading activity of cutinase LCC, TfCut2, and Cut190 have been reported to be enhanced in the presence of Ca (36-38) , we explored the Ca 2+ dependence of the PET degrading activity of PET2 wild-type. tested. For PET2 wild-type, the concentration of product produced was only 1.1-fold higher in the presence of 10 mM and 100 mM Ca 2+ than in the absence of Ca 2+ . Even at 300 mM CaCl2 , the PET degrading activity was comparable to that in the absence of Ca2 + . From these results, the following experiments measure the PET degrading activity of PET2 mutants in the absence of CaCl2 .

3.2 単一変異のスクリーニング
PET2の熱安定性と活性を改善するために、ホモロジーモデル構造に基づいて単一の変異を導入し(図3A)、変異による影響を調べた。野生型酵素及び変異酵素のTm及び非晶性PETの分解活性を測定し、各値をプロットした(図3B)。まずIsPETaseに特徴的な塩基性アミノ酸残基(11)、及びIsPETaseで活性を増強させることが報告されている単一変異(39)を導入した(図3B、◆)。その結果、F105R及びE110Kの変異は、野生型に比べてTmをそれぞれ1℃超上昇させ、PET分解活性をそれぞれ1.5倍、1.4倍増強させた。F105R及びE110Kと同一面上に位置するがIsPETaseには存在しないL298R変異は、Tm及び活性を減少させた。改変IsPETaseの変異に基づく変異のうち(39)、Q183R及びQ134Yは活性を増強させた。しかしながら、Q183R変異はTmを低下させ、またQ134Y変異は、サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)中の溶出時間が大幅に延長し、精製後の収率が大きく低下した。また、S202Q及びS155Dの変異は、Tmを上昇させたものの、活性を低下させた。
3.2 Screening of Single Mutations To improve the thermostability and activity of PET2, single mutations were introduced based on the homology model structure (Fig. 3A) and the effects of the mutations were investigated. The Tm and amorphous PET degradation activity of the wild-type and mutant enzymes were measured and plotted (Fig. 3B). First, a basic amino acid residue (11) characteristic of IsPETase and a single mutation (39) reported to enhance the activity of IsPETase were introduced (Fig. 3B, ♦). As a result, the F105R and E110K mutations increased the Tm by more than 1° C. and enhanced the PET degradation activity by 1.5 and 1.4 times, respectively, compared to the wild type. The L298R mutation, which is coplanar with F105R and E110K but not present in IsPETase, decreased Tm and activity. Of the mutations based on modified IsPETase mutations (39) , Q183R and Q134Y enhanced activity. However, the Q183R mutation lowered the Tm and the Q134Y mutation significantly prolonged elution time during size exclusion chromatography (SEC) and greatly reduced yield after purification. Also, the S202Q and S155D mutations increased the Tm but decreased the activity.

ホモロジーモデリング構造に基づき、プロリンの二面角に適合するアミノ酸残基を検索し、プロリン変異を導入した(図3B、●)。S156P及びT297P変異のTm値は野生型よりも1~2℃高かったのに対し、D53P及びA192P変異のTm値は野生型よりも低かった。これらの変異体の活性は、野生型の半分未満の活性しかみられなかったA192Pを除き、野生型と大きく変わらなかった。 Based on the homology modeling structure, amino acid residues matching the proline dihedral angle were searched and proline mutations were introduced (FIG. 3B, ●). The Tm values for the S156P and T297P mutations were 1-2°C higher than the wild type, while the Tm values for the D53P and A192P mutations were lower than the wild type. The activities of these mutants were not significantly different from the wild-type except for A192P, which showed less than half the activity of the wild-type.

多くのPET分解酵素では、4つの連続するグリシン残基が触媒トライアドのセリン残基(PET2ではSer175)近傍にα-ヘリックスを形成し、PET2もこれに相当するグリシン残基(Gly177~Gly180)を有する。このGly177~Gly180を1つずつアラニンに変異させた(図3B、▲)。G180A変異は最も効果のあった変異の1つであり、Tm(+2.6℃)及び活性(1.5倍)を大幅に改善させた。一方、他の3つの変異はTm又は活性を野生型よりも低下させた。 In many PET degrading enzymes, four consecutive glycine residues form an α-helix near the serine residue (Ser175 in PET2) of the catalytic triad, and PET2 also forms the corresponding glycine residues (Gly177 to Gly180). have. This Gly177 to Gly180 was mutated to alanine one by one (FIG. 3B, ▲). The G180A mutation was one of the most effective mutations, greatly improving Tm (+2.6°C) and activity (1.5-fold). On the other hand, the other three mutations reduced Tm or activity below wild type.

さらに、PET2のN末端又はC末端付近における4対のシステイン変異を試験した(図3B、▼)。R47C-G89Cの変異対のTmは72.0℃であり、野生型のTmよりと3℃高かった。C末端のシステイン変異対(Y262C-L298C及びL265C-A295C)も野生型のTmよりも1~2℃高いTmを示したが、これらの変異対の活性は野生型の約半分に低下した。T64C-T86Cの変異も試みたが、精製収率が非常に低く、特性評価に十分な量の試料が得られなかった。 In addition, four pairs of cysteine mutations near the N-terminus or C-terminus of PET2 were tested (Fig. 3B, ▼). The Tm of the R47C-G89C mutant pair was 72.0°C, 3°C higher than that of the wild type. The C-terminal cysteine mutation pairs (Y262C-L298C and L265C-A295C) also exhibited Tms 1-2°C higher than that of the wild type, but the activity of these mutation pairs was reduced to about half that of the wild type. The T64C-T86C mutation was also attempted, but the purification yield was very low and sufficient sample was not obtained for characterization.

3.3 変異の組み合わせ
野生型よりも高いTm又は活性を示した単一変異を統合した(図3C)。PET2 F105R-E110K変異体(PET2(2M))は70.7℃のTmを示し、非晶性PETを0.71min-1で加水分解した。これらの値はそれぞれの単一変異のものよりも高い。PET2 F105R-E110K-S156P-T297P変異体(PET2(4M))は上記2変異導入体よりも1.6℃高いTmを示したが、活性は0.13min-1の改善にとどまった(0.71min-1から0.84min-1へ変化)。さらにG180Aを導入すると(PET2(5M))、活性が顕著に向上したが(PET2(4M)の1.4倍)、Tmはわずかに上昇したのみであった。さらに、追加のジスルフィド結合はTmを3.1℃上昇させ、活性もやや増加させた。得られたR47C-G89C-F105R-E110K-S156P-G180A-T297P変異体(PET2(7M))は、60℃で野生型よりも6.7℃高いTm及び3倍高い活性を示した。なかでも、R47C-G89Cの変異に基づくジスルフィド結合はTmを大幅に上昇させ、また、このジスルフィド結合は活性部位から離れた位置に存在するにもかかわらず、活性も向上させたことから、最も有効な変異のひとつと考えられた。
3.3 Combination of Mutations Single mutations that showed a higher Tm or activity than the wild type were integrated (Fig. 3C). The PET2 F105R-E110K mutant (PET2(2M)) exhibited a Tm of 70.7° C. and hydrolyzed amorphous PET at 0.71 min −1 . These values are higher than those of the respective single mutations. The PET2 F105R-E110K-S156P-T297P mutant (PET2(4M)) showed a Tm 1.6° C. higher than that of the above two mutants, but the activity was only improved by 0.13 min −1 (0. 71 min −1 to 0.84 min −1 ). Further introduction of G180A (PET2(5M)) significantly improved the activity (1.4-fold that of PET2(4M)), but only slightly increased the Tm. Furthermore, an additional disulfide bond increased the Tm by 3.1°C and slightly increased the activity. The resulting R47C-G89C-F105R-E110K-S156P-G180A-T297P mutant (PET2(7M)) exhibited a 6.7°C higher Tm and a 3-fold higher activity than the wild type at 60°C. Among them, the disulfide bond based on the R47C-G89C mutation greatly increased the Tm, and the disulfide bond also improved the activity despite being located away from the active site, making it the most effective. considered to be one of the major mutations.

3.4 PET2変異体のX線結晶構造
PET2(2M)及びPET2(7M)のX線結晶構造をそれぞれ1.3Å及び1.8Åの分解能で解析した。PET2野生型の結晶は得られなかった。このため、PymolでPET2(2M)の逆変異によりPET2野生型構造を再構築した。PET2(7M)とPET2(2M)の間の全体構造の二乗平均平方根偏差(RMSD)は0.241Åであり、これらの構造は非常に類似していた。PET2変異体の電子密度マップは変異した残基の側鎖を認識するのに十分であった(図4A及び図4B)。2つのプロリン変異(S156P及びT297P)の導入によりループ構造は変化しなかったため、これらの位置は予想通りプロリンの二面角に適していると考えられた。Gly180のアラニンへの変異は、このAla180を含むα-ヘリックス構造自体は変化させなかったが、隣接するα-ヘリックスがより安定化しているように見受けられた(図4A及び図4B、右)。PET2野生型は配列中に6つのシステイン残基を有し、PET2(2M)構造では2つの天然ジスルフィド結合(Cys218-Cys255及びCys289-Cys306)が観察された。もう1つのシステイン残基対(Cys43及びCys39)は、N末端の無秩序領域(Ala28からAsn44)に存在し、観察できなかった。PET2(7M)構造では、N末端に導入されたシステイン残基対(R47C-G89C)が明らかにジスルフィド結合を形成していた(図4B)。これらの変異は、2ループ構造にわずかなシフトを引き起こし(図4A及び図4B、左)、Tyr45の電子密度は観察できなかった。N末端残基(Ala28からAsn44)は、PET2(2M)及びPET2(7M)のいずれにおいても、電子密度マップが不明確でモデル化できず、PET2ではN末端残基が無秩序であると考えられた。
3.4 X-Ray Crystal Structures of PET2 Mutants The X-ray crystal structures of PET2(2M) and PET2(7M) were resolved at 1.3 Å and 1.8 Å resolution, respectively. No crystals of PET2 wild type were obtained. For this reason, the PET2 wild-type structure was reconstructed by backmutation of PET2(2M) with Pymol. The root mean square deviation (RMSD) of the overall structure between PET2(7M) and PET2(2M) was 0.241 Å, indicating that the structures were very similar. Electron density maps of PET2 mutants were sufficient to recognize the side chains of the mutated residues (Figures 4A and 4B). Since the introduction of two proline mutations (S156P and T297P) did not alter the loop structure, these positions were considered suitable for proline dihedral angles, as expected. Mutation of Gly180 to alanine did not alter the α-helical structure itself involving this Ala180, but the adjacent α-helix appeared to be more stable (FIGS. 4A and 4B, right). PET2 wild-type has six cysteine residues in the sequence and two natural disulfide bonds (Cys218-Cys255 and Cys289-Cys306) were observed in the PET2(2M) structure. Another cysteine residue pair (Cys43 and Cys39) was present in the N-terminal disordered region (Ala28 to Asn44) and could not be observed. In the PET2(7M) structure, the cysteine residue pair (R47C-G89C) introduced at the N-terminus clearly formed a disulfide bond (Fig. 4B). These mutations caused a slight shift in the two-loop structure (FIGS. 4A and 4B, left) and no electron density of Tyr45 could be observed. The N-terminal residues (Ala28 to Asn44) could not be modeled due to unclear electron density maps in both PET2(2M) and PET2(7M), suggesting that the N-terminal residues are disordered in PET2. rice field.

次に、PET2野生型構造をPET2(2M)構造の逆変異により再構築し、pH7.0での表面電荷をPET2(7M)及びIsPETaseの表面電荷と比較した(図4C)。PET2野生型では、Phe105とGlu110の周辺に中性から負の電荷が観察された(図4C、左)。一方、PET2(7M)(図4C、中央)では、PET2野生型よりも正電荷領域が大きくなり、IsPETaseの正電荷領域と同程度となっていた(図4C、右)。 The PET2 wild-type structure was then reconstructed by backmutation of the PET2(2M) structure and the surface charge at pH 7.0 was compared to that of PET2(7M) and IsPETase (Fig. 4C). Neutral to negative charges were observed around Phe105 and Glu110 in PET2 wild type (Fig. 4C, left). On the other hand, PET2(7M) (Fig. 4C, center) had a larger positive charge area than PET2 wild type and was comparable to that of IsPETase (Fig. 4C, right).

PET2は当初リパーゼとして発見されたため(19)、PET2(2M)の触媒トライアド周辺の構造をリパーゼとも比較した。Thermomyces lanuginoseのリパーゼは触媒トライアドを覆うlid(蓋)ドメインを有するが(47)、PET2(2M)の触媒トライアドはBacillus subtilisのLipAのように溶媒に曝されていた。PET2(2M)のIsPETase(PDB ID:6ANE)に対する全体的なRMSDは0.552Åであり、LipA(PDB ID:1I6W)に対する全体的なRMSDは15.4Åであった。したがって、構造的観点からは、PET2はリパーゼではなく、PET加水分解酵素である。 Since PET2 was originally discovered as a lipase (19) , the structure around the catalytic triad of PET2(2M) was also compared with lipases. The Thermomyces lanuginose lipase has a lid domain covering the catalytic triad (47) , whereas the catalytic triad of PET2(2M) was solvent exposed like the Bacillus subtilis LipA. The overall RMSD of PET2 (2M) relative to IsPETase (PDB ID: 6ANE) was 0.552 Å and the overall RMSD relative to LipA (PDB ID: 1I6W) was 15.4 Å. Therefore, from a structural point of view, PET2 is a PET hydrolase rather than a lipase.

PET2のPET分解活性のカルシウム非依存性を説明するため、Cut190(15)のカルシウム結合部位に対応する位置を、LCC、IsPETase、及びPET2(2M)間で比較した。結合部位1は基本的に主鎖のカルボニル基により構築され、Ca2+はLCCとPET2に結合できる。結合部位2では、Cut190のアスパラギン酸(Asp250)と2つのグルタミン酸(Glu220及びGlu296)が、PET2ではスレオニン、グルタミン、セリンにそれぞれ変化している。そのため、Ca2+への親和性はCut190よりもPET2の方が低くなる。また、Cut190の結合部位3は、PET2では完全にループに占められている。このため、構造的観点から、PET2のPET分解活性のカルシウム非依存性は合理的である。 To illustrate the calcium independence of PET2's PET degrading activity, positions corresponding to the calcium binding site of Cut190 (15) were compared between LCC, IsPETase and PET2 (2M). Binding site 1 is basically built up by the main chain carbonyl groups and Ca 2+ can bind to LCC and PET2. At binding site 2, aspartic acid (Asp250) and two glutamic acids (Glu220 and Glu296) in Cut190 are changed to threonine, glutamine and serine in PET2, respectively. Therefore, the affinity for Ca 2+ is lower for PET2 than for Cut190. Also, binding site 3 of Cut190 is completely occupied by a loop in PET2. Therefore, from a structural point of view, the calcium independence of PET2's PET degrading activity is reasonable.

3.5 単一分子蛍光イメージングによるPET2の結合及び解離の特性評価
単一分子蛍光イメージングを使用して、PET2野生型とPET2(7M)の結合速度定数及び解離速度定数を比較した。フリーのシステイン残基(Cys309)を酵素のC末端とTEVプロテアーゼ認識部位の間に挿入し、Alexa Fluor 555マレイミドで標識した。PET2野生型-C309とPET2(7M)-C309の標識率はそれぞれ109%、122%であった。PET2野生型とPET2野生型-C309-Alexa Fluor 555、又はPET2(7M)とPET2(7M)-C309-Alexa Fluor 555のPET分解活性は互いに類似しており、色素標識は活性に影響を与えないと考えられた。また、Cys309を有しないPET2野生型及びPET2(7M)の標識率はそれぞれ3.4%、7.1%にすぎず、本標識条件では色素は主にCys309と反応すると考えられた。元のPETフィルムは自己蛍光が強く、色素標識PET2酵素の単一分子イメージングが難しいことがわかった。自己蛍光の理由は定かではないが、PETをヘキサフルオロ-2-プロパノールに溶解し、アセトンで沈殿させることで自己蛍光を低減できた。
3.5 Characterization of PET2 association and dissociation by single-molecule fluorescence imaging Single-molecule fluorescence imaging was used to compare the association and dissociation rate constants of PET2 wild-type and PET2(7M). A free cysteine residue (Cys309) was inserted between the C-terminus of the enzyme and the TEV protease recognition site and labeled with Alexa Fluor 555 maleimide. The labeling rates of PET2 wild-type-C309 and PET2(7M)-C309 were 109% and 122%, respectively. The PET degradation activities of PET2 wild-type and PET2 wild-type-C309-Alexa Fluor 555, or PET2(7M) and PET2(7M)-C309-Alexa Fluor 555 are similar to each other, and the dye label does not affect the activity. It was considered. Moreover, the labeling rates of PET2 wild-type and PET2(7M) without Cys309 were only 3.4% and 7.1%, respectively, suggesting that the dye mainly reacts with Cys309 under these labeling conditions. The pristine PET film was found to be highly autofluorescent, making single-molecule imaging of the dye-labeled PET2 enzyme difficult. The reason for the autofluorescence is not clear, but the autofluorescence could be reduced by dissolving PET in hexafluoro-2-propanol and precipitating it with acetone.

色素標識PET2酵素の単一分子イメージングのため、アセトンで沈殿させたPETをヘキサフルオロ-2-プロパノールに再溶解し、カバーガラスにスピンコートし、完全に乾燥させて、一部未形成部分を残したPET薄膜を形成した。カバーガラス上のPET薄膜から、室温において、PET2(7M)はPET2野生型の2.6倍の濃度の生成物を生成した。このとき、PET薄膜の外観は元の非晶性PETフィルムとは大きく異なっていた(図5A)。PET薄膜に対するPET2野生型とPET2(7M)の活性の違いは、60℃で非晶性PETフィルムを用いて試験した場合と同様であった。そのため、カバーガラス上のPET薄膜は、PET2の結合及び解離の単一分子イメージングのモデル基質に使用できると考えた。低濃度(50pM)の色素標識したPET2野生型及びPET2(7M)で、個々の分子からの蛍光シグナルが明確に観察された(図5B)。単一分子観察後、PET薄膜を高濃度(10nM)の色素標識酵素で染色し(図5C)、この画像にPET2の単一分子動画を重ねてPET薄膜の位置を特定した。色素標識酵素はPET薄膜にのみ結合し、カバーガラスには結合しない。次に、PET2野生型とPET2(7M)の結合速度定数と結合時間(解離速度定数)を解析して比較した。結合速度定数を計算するために、各動画で時間の関数として結合分子の累積数をカウントし、100個の酵素分子の結合に必要な時間を測定した(図5D)。次いで、100(分子)を所要時間(秒)で除算し、得られた値をさらに視野内のPET薄膜の面積(μm)及び溶液中の酵素濃度(M)で除算することにより結合速度定数を推定した。その結果、PET2野生型の結合速度定数は(2.8±1.6)×10-1μm-2-1であり、PET2(7M)の結合速度定数は(7.5±3.0)×10-1μm-2-1であった(表1)。したがって、PET2(7M)の結合速度定数は野生型の2.7倍であった。 For single-molecule imaging of the dye-labeled PET2 enzyme, acetone-precipitated PET was redissolved in hexafluoro-2-propanol, spin-coated onto coverslips, and dried completely, leaving some unformed moieties. A thick PET thin film was formed. From PET thin films on coverslips, at room temperature, PET2 (7 M) produced a 2.6-fold higher concentration of product than PET2 wild-type. At this time, the appearance of the PET thin film was significantly different from the original amorphous PET film (Fig. 5A). The difference in activity between PET2 wild-type and PET2(7M) on PET thin films was similar when tested with amorphous PET films at 60°C. Therefore, we thought that PET thin films on coverslips could be used as model substrates for single-molecule imaging of PET2 binding and dissociation. At low concentrations (50 pM) of dye-labeled PET2 wild-type and PET2 (7 M), fluorescence signals from individual molecules were clearly observed (Fig. 5B). After single-molecule observation, the PET thin film was stained with a high concentration (10 nM) of a dye-labeled enzyme (Fig. 5C), and a single-molecule movie of PET2 was superimposed on this image to localize the PET thin film. The dye-labeled enzyme binds only to the PET thin film and not to the coverslip. Next, the binding rate constant and binding time (dissociation rate constant) of PET2 wild type and PET2 (7M) were analyzed and compared. To calculate the binding rate constant, we counted the cumulative number of bound molecules as a function of time in each movie and determined the time required for binding of 100 molecules of enzyme (Fig. 5D). Next, 100 (molecules) is divided by the required time (seconds), and the obtained value is further divided by the area of the PET thin film in the field of view (μm 2 ) and the enzyme concentration (M) in the solution to obtain the binding rate constant. was estimated. As a result, the binding rate constant of PET2 wild-type was (2.8±1.6)×10 8 s −1 μm −2 M −1 and that of PET2 (7M) was (7.5±3 .0)×10 8 s −1 μm −2 M −1 (Table 1). Therefore, the binding rate constant of PET2(7M) was 2.7 times higher than wild type.

一方、解離速度定数は、PET2野生型とPET2(7M)との間で大きな差がなかった。PET2野生型の結合時間の分布は、単一指数関数的減衰関数よりも二重指数関数的減衰関数の合計によくフィットし、少なくとも2つのPET結合状態が存在すると考えられた(図5E、表1)。速い解離の速度定数は4.3s-1であり、遅い解離の速度定数は0.71s-1であった。フィッティング式の面積から、速い解離と遅い解離の割合はそれぞれ69.3%、30.7%と算出された。PET2(7M)の結合時間の分布も二重指数関数的減衰関数によく適合し、速い解離及び遅い解離の速度定数(割合)はそれぞれ5.0s-1(85.2%)、0.54s-1(14.8%)であった(図5F、表1)。PET2野生型とPET2(7M)のいずれにおいても、これらの解離速度定数は、Alexa Fluor 555の光退色の速度定数(0.026s-1)よりもはるかに大きかった。したがってAlexa Fluor 555の光退色は速い成分と遅い成分の原因ではない。 On the other hand, the dissociation rate constants were not significantly different between PET2 wild type and PET2(7M). The distribution of PET2 wild-type binding times fitted the sum of the double exponential decay functions better than the single exponential decay function, suggesting that there are at least two PET binding states (Fig. 5E, Table 1). The fast dissociation rate constant was 4.3 s −1 and the slow dissociation rate constant was 0.71 s −1 . From the area of the fitting formula, the percentages of fast dissociation and slow dissociation were calculated to be 69.3% and 30.7%, respectively. The distribution of binding times of PET2(7M) also fits well with a double exponential decay function, with rate constants (fractions) for fast and slow dissociation of 5.0 s (85.2%) and 0.54 s, respectively. -1 (14.8%) (Fig. 5F, Table 1). For both PET2 wild-type and PET2(7M), these dissociation rate constants were much greater than the rate constant for photobleaching of Alexa Fluor 555 (0.026 s −1 ). Therefore, Alexa Fluor 555 photobleaching is not the cause of the fast and slow components.

Figure 2023058381000005
Figure 2023058381000005

表1注:
a:Alexa Fluor 555標識のためCys309をC末端に追加導入した。
b:結合速度定数は、100個の酵素分子の結合に要する時間から算出し、視野内のPETで被覆された面積と溶液中の酵素濃度でさらに正規化した。
c:解離速度定数は、個々の分子の結合時間の分布を2つの指数関数的減衰関数の合計でフィッティングすることにより算出した。
d:速い解離イベントと遅い解離イベントの割合は、フィッティング式の面積から算出した。
e:値は5つの独立した動画からの平均±SDとした。
Table 1 Note:
a: Cys309 was additionally introduced at the C-terminus for Alexa Fluor 555 labeling.
b: Binding rate constants were calculated from the time required for binding of 100 molecules of enzyme and were further normalized by area covered by PET in the field and concentration of enzyme in solution.
c: Dissociation rate constants were calculated by fitting the distribution of binding times of individual molecules with the sum of two exponential decay functions.
d: The ratio of fast and slow dissociation events was calculated from the area of the fitting equation.
e: Values are mean±SD from 5 independent movies.

3.6 活性の温度依存性と長期安定性
野生型及び変異体における非晶性PET分解活性の温度依存性を測定し、最も高い活性が観察される至適温度を決定した。PET2野生型では60℃で0.4min-1の最高活性が観察され、より高温側では活性が減少した(図6A)。一方、変異数の増加に伴い、至適温度は60℃より高温側にシフトした。PET2(7M)は68℃で2.7min-1の最高活性を示し、これは60℃における活性よりも2倍高かった(図6A)。また、PET2(7M)は80℃でも検出可能な活性を保持していたが、野生型及び他の2つの変異体(4M及び5M)は失活した。この結果は、PET2(7M)のR47C-G89C変異が最終的な変異体の熱安定性に大きく寄与することを示している。また、PET2(5M)とPET2(7M)との活性の比較により、R47C-G89Cの変異が各温度において活性も向上させていることが明らかになった。さらに、中程度の温度での活性の差を確認するため、30℃でもPET2野生型及びPET2(7M)による非晶性PETディスクの加水分解活性を測定した。PET2野生型及びPET2(7M)の加水分解活性は30℃では非常に低かったが、PET2(7M)の活性値は野生型の活性値の3倍であった。したがって、その差は60℃で観察された場合と同様であった。
3.6 Temperature Dependence of Activity and Long-Term Stability The temperature dependence of the amorphous PET degradation activity in wild-type and mutants was measured, and the optimum temperature at which the highest activity was observed was determined. A maximum activity of 0.4 min −1 was observed for PET2 wild type at 60° C., and the activity decreased at higher temperatures (FIG. 6A). On the other hand, as the number of mutations increased, the optimum temperature shifted to higher than 60°C. PET2(7M) exhibited a maximum activity of 2.7 min −1 at 68° C., which was two-fold higher than the activity at 60° C. (FIG. 6A). PET2 (7M) also retained detectable activity at 80° C., whereas the wild-type and two other mutants (4M and 5M) were inactivated. This result indicates that the R47C-G89C mutation of PET2(7M) contributes significantly to the thermostability of the final mutant. Moreover, a comparison of the activities of PET2(5M) and PET2(7M) revealed that the R47C-G89C mutation also improved the activity at each temperature. In addition, the hydrolytic activity of amorphous PET discs by PET2 wild-type and PET2(7M) was also measured at 30°C to confirm the difference in activity at moderate temperatures. The hydrolytic activity of PET2 wild-type and PET2(7M) was very low at 30° C., but the activity value of PET2(7M) was three times that of wild-type. Therefore, the difference was similar to that observed at 60°C.

次に、PET2野生型及びPET2(7M)によるPET分解を、それぞれの至適温度である60℃及び68℃で、最大24時間のインキュベーション時間で比較した。非晶性PET分解では、PET2(7M)により生成した生成物量は、PET2野生型により生成した生成物の3倍超を常に維持していた(図6B)。さらに、重要なことに、PET2(7M)は1~24時間の間ほぼ一定の分解速度を維持しており、このことは、至適温度である68℃での長期熱安定性を示唆している。さらに、結晶性PETの分解についても調べた。PET2(7M)はPET2野生型の2倍の活性を常に維持していた。この場合も、PET2(7M)は、1~24時間の間ほぼ一定の分解速度を維持していた。しかし、0.1μMのPET2野生型とPET2(7M)では、結晶性PETから、24時間反応後にそれぞれ1.7μM、4.5μMの生成物しか生成しなかった。これらの結果は、PET2酵素がPETの非晶性領域の可動部分を優先的に加水分解することを示唆しており、他のPET加水分解酵素の以前の研究と整合している(4、12、13、48)PET degradation by PET2 wild-type and PET2(7M) was then compared at their respective temperature optima of 60° C. and 68° C. with incubation times up to 24 hours. For amorphous PET degradation, the amount of product produced by PET2(7M) remained consistently >3-fold that produced by PET2 wild-type (Fig. 6B). Furthermore, importantly, PET2(7M) maintained a nearly constant degradation rate from 1 to 24 hours, suggesting long-term thermal stability at the optimum temperature of 68 °C. there is Furthermore, the decomposition of crystalline PET was also investigated. PET2(7M) always maintained twice the activity of PET2 wild type. Again, PET2(7M) maintained a nearly constant rate of degradation between 1 and 24 hours. However, PET2 wild-type at 0.1 μM and PET2 (7 M) yielded only 1.7 μM and 4.5 μM of product, respectively, from crystalline PET after 24 hours of reaction. These results suggest that the PET2 enzyme preferentially hydrolyzes the mobile portion of the amorphous region of PET, consistent with previous studies of other PET hydrolases (4, 12 , 13, 48) .

4.考察
残存活性から推定されたPET2野生型の反応上限温度(65℃)(図2A)は、230nmでのCDシグナルの変化から推定されたTm(69.0℃)(図2D)とよく一致した。さらに、以前の研究で、PET2野生型のリパーゼ活性は60℃であり、より高温では活性が低下することがわかっている(リパーゼとしての当初の名称はLipIAF5.2であるが、ここでは便宜上PET2の名称を用いている)(19)。これらの結果は、230nmにおけるトリプトファン残基のシグナルがPET2野生型の触媒活性と非常によく相関することを示唆している。我々はPET2 W174H変異体の230nmにおけるシグナルが野生型よりも非常に微弱であることを見出した。そのため、PET2の230nmにおける特徴的なシグナルは、触媒トライアドのSer175残基の隣に位置するTrp174に起因している可能性があり、これは上述の相関関係と整合する。一方、PET2によるBHET加水分解の至適pHは、本研究では約7であった(図2B)。以前の研究では、p-ニトロフェニルミリステート加水分解では至適pHは10.5であった。BHETは高pHではPET2の非存在下でもMHETに自然分解することから、この違いは基質安定性の差異に起因するものと推測される。
4. Discussion The maximum reaction temperature (65° C.) of PET2 wild type estimated from residual activity (FIG. 2A) was in good agreement with Tm (69.0° C.) estimated from the change in CD signal at 230 nm (FIG. 2D). . Furthermore, previous studies have shown that the lipase activity of PET2 wild-type is at 60°C and that activity decreases at higher temperatures (the original name for the lipase is LipIAF5.2, but here for convenience PET2 (19) . These results suggest that the signal of tryptophan residues at 230 nm correlates very well with the catalytic activity of PET2 wild type. We found that the signal at 230 nm of the PET2 W174H mutant was much weaker than the wild type. Therefore, the characteristic signal at 230 nm of PET2 could be attributed to Trp174 located next to the Ser175 residue of the catalytic triad, which is consistent with the correlation described above. On the other hand, the optimum pH for BHET hydrolysis by PET2 was around 7 in this study (Fig. 2B). In previous studies, the optimum pH was 10.5 for p-nitrophenyl myristate hydrolysis. Since BHET spontaneously degrades to MHET even in the absence of PET2 at high pH, this difference is presumed to be due to differences in substrate stability.

興味深いことに、1mMエチレンジアミン四酢酸(EDTA)や1%Tween80ではPET2のリパーゼ活性は30%しか阻害されないが、1mMエチレングリコール四酢酸(EGTA)又は1%TritonX-100によりPET2は完全にリパーゼ活性を失う(19)。EGTAとEDTAとでは2対の酢酸基を連結する連結基の構造に違いがある。EGTAのエチレングリコール構造はPET2の活性部位近傍に結合し基質の結合を妨げる可能性がある。また、試験された界面活性剤のなかで、Triton X-100のみが構造中に芳香環を有する。これらの結果は、PET2がエチレングリコール及び芳香環に結合親和性を有することを示唆している。本研究ではPET2野生型においてPET分解活性にCa2+濃度依存性は観察されなかった。PET2(2M)構造ではCut190の部位1に相当する潜在的Ca2+結合部位しか存在しないことに鑑みると、この結果は妥当である。そのため、EGTA及びEDTAのイオンキレート能はPET2のリパーゼ活性の変化とは無関係である。 Interestingly, 1 mM ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and 1% Tween 80 inhibited the lipase activity of PET2 by only 30%, whereas 1 mM ethylene glycol tetraacetic acid (EGTA) or 1% Triton X-100 completely inhibited PET2 lipase activity. lose (19) . EGTA and EDTA differ in the structure of the connecting group that connects two pairs of acetic acid groups. The ethylene glycol structure of EGTA may bind near the active site of PET2 and interfere with substrate binding. Also, among the surfactants tested, only Triton X-100 has an aromatic ring in its structure. These results suggest that PET2 has binding affinity for ethylene glycol and aromatic rings. In the present study, no Ca 2+ concentration dependence was observed in PET degrading activity in PET2 wild type. This result is reasonable given that there is only a potential Ca 2+ -binding site corresponding to site 1 of Cut190 in the PET2(2M) structure. Therefore, the ion chelating ability of EGTA and EDTA is independent of changes in the lipase activity of PET2.

PET2の単一変異に関する結果は、IsPETaseの熱安定性と活性を増加させた変異がPET2に対してはあまり効果的ではないことを示唆している。特に、W174H変異は野生型に比べ、Tmは5℃高かったものの、活性は4分の1に低下した(図3B)。対照的に、IsPETaseの表面電荷改変に倣うPET2の表面電荷における変異(F105R及びE110K)は活性を増強させた。興味深いことに、これらの変異はPET2のTmも上昇させた。F105R変異は、酵素表面の疎水性残基を正電荷を有する残基に置換する。類似の変異がアセチルコリンエステラーゼの熱安定性を高めることが報告されている(49)。一方、E110K変異がPET2を熱安定化する理由は明らかではない。G180AはPET2のTm及び活性をいずれも向上させた最も効果的な変異の1つである。PET2(2M)とPET2(7M)の間で、Gly180とAla180に隣接するα-ヘリックス構造は微妙に異なっている(図4A及び図4B、右)。PET2(7M)ではArg138とArg139の主鎖はわずかにシフトして理想的なα-ヘリックスを形成している。これが熱安定性と活性の向上に寄与している可能性がある。一方、G177A及びG179Aの変異はTm及び活性を低下させた。これは、PET2(2M)の結晶構造から確認されるように、これらのアラニン残基の側鎖がPro100及びTrp199の主鎖カルボニル酸素原子と近接しすぎていることに起因すると推測される(図4A)。R47C-G89C変異はジスルフィド結合を形成し、Y262C-L298CやL265C-A295CよりもさらにTmを上昇させた(図3B)。結晶構造では、ペプチド鎖の電子密度が不明確でありN末端残基(Ala28~Asn44)はモデル化されなかった。これらの結果は、PET2のN末端領域がC末端領域よりもフレキシブルであることを示唆している。したがって、N末端領域でのジスルフィド結合の形成は、C末端領域でのジスルフィド結合よりも効果的な熱安定化をもたらすと考えられる。LCC及びCut190の場合、Ca2+結合部位2でのジスルフィド結合の形成が安定性を向上させた(12、15)。PET2及びIsPETaseはこの近傍に既にジスルフィド結合を有しているため、本研究では、同部位に新たなジスルフィド結合の導入は試みなかった。 Results for single mutations in PET2 suggest that mutations that increase IsPETase thermostability and activity are less effective against PET2. In particular, the W174H mutant had a 5°C higher Tm than the wild type, but a four-fold decrease in activity (Fig. 3B). In contrast, mutations in the surface charge of PET2 (F105R and E110K) that mimic that of IsPETase enhanced activity. Interestingly, these mutations also increased the Tm of PET2. The F105R mutation replaces hydrophobic residues on the surface of the enzyme with positively charged residues. A similar mutation has been reported to increase the thermostability of acetylcholinesterase (49) . On the other hand, it is unclear why the E110K mutation thermostabilizes PET2. G180A is one of the most effective mutations that improved both Tm and activity of PET2. The α-helical structures flanking Gly180 and Ala180 are subtly different between PET2(2M) and PET2(7M) (FIGS. 4A and 4B, right). In PET2(7M), the main chains of Arg138 and Arg139 are slightly shifted to form an ideal α-helix. This may contribute to the improved thermal stability and activity. On the other hand, the G177A and G179A mutations decreased Tm and activity. This is speculated to be due to the fact that the side chains of these alanine residues are too close to the main chain carbonyl oxygen atoms of Pro100 and Trp199, as confirmed by the crystal structure of PET2(2M) (Fig. 4A). The R47C-G89C mutation formed a disulfide bond and increased Tm even more than Y262C-L298C and L265C-A295C (Fig. 3B). In the crystal structure, the electron density of the peptide chain was unclear and the N-terminal residues (Ala28-Asn44) were not modeled. These results suggest that the N-terminal region of PET2 is more flexible than the C-terminal region. Formation of disulfide bonds at the N-terminal region is therefore believed to provide more effective thermal stabilization than disulfide bonds at the C-terminal region. For LCC and Cut190, disulfide bond formation at Ca 2+ -binding site 2 enhanced stability (12, 15) . Since PET2 and IsPETase already have a disulfide bond in this vicinity, we did not attempt to introduce a new disulfide bond at the same site in this study.

単一分子蛍光イメージングにより、PET2(7M)の結合速度定数はPET2野生型の2.7倍であることがわかった(図5D、表1)。一方、いずれの酵素も、解離速度定数において速い成分及び遅い成分を有し、両酵素においてこれらの値及び割合は同様であった(図5E、図5F、表1)。我々は当初、変異体における活性増強は、変異体表面のリシン又はアルギニン残基とPETの芳香環との間での強力なカチオン-π相互作用により得られたと予測した(50)。しかしながら、本研究の結果は、PET2(7M)のPET結合状態は表面電荷変異により安定化しているのではないことを示唆している。速い解離成分及び遅い解離成分の割合に基づき、我々は次にこれらの成分の結合速度定数を算出した(表1)。その結果、PET2野生型では、速い成分及び遅い成分での値はそれぞれ1.9×10-1μm-2-1及び0.86×10-1μm-2-1であった。また、PET2(7M)では、速い成分及び遅い成分での値はそれぞれ6.4×10-1μm-2-1、1.1×10-1μm-2-1であった。我々はさらに、速い成分と遅い成分の結合速度定数と解離速度定数との比に基づき、これらの解離定数を算出した(表1)。PET2野生型では、値は速い成分及び遅い成分でそれぞれ2.3×10-8μmM、0.83×10-8μmMであった。PET2(7M)では、値は速い成分及び遅い成分でそれぞれ0.78×10-8μmM、0.49×10-8μmMであった。したがって、PET2(7M)の速い成分の結合速度定数はPET2野生型と比べて3.4倍高く、解離定数はPET2野生型と比べて2.9倍低い。興味深いことに、60℃におけるPET2(7M)の非晶性PETフィルムに対する活性はPET2野生型と比べて3.2倍高く(図6A)、室温でのPET薄膜に対する活性は2.6倍高かった。PET2野生型とPET2(7M)の活性の差は、速い成分の結合速度定数と解離定数の差と同程度であった。したがって、変異体はpH7.0でPET2野生型よりも多くの正電荷を有し(図4C)、PET表面は負電荷を有するため(51)、1つの妥当な説明として、PET2(7M)が静電的に引き付けられてPET表面近くの局所酵素濃度が増加し、速い結合が促進されると説明することができる。Rhizopus oryzaeのリパーゼは脂肪族ポリマー(ポリブチレンサクシネート、ポリブチレンアジペート、ポリ乳酸)に効率的に結合するが、PETには結合しないことが報告されている(52)。上記結果は、PETへの結合が異なる相互作用を要することを示唆している。PET2の結合速度定数をさらに高めるには、PET表面に適合するように酵素の表面形状を改変する必要がある可能性がある。例えば、セルロース結合ドメイン(CBM)は、結晶セルロースの平面に適合するように、細かく調整された平面を有する(53)。興味深いことに、CBMとPET表面とは強く相互作用することが過去に報告されている(54)。例えば、Cellulomonas fimiのCBM-W68Y変異体と融合したT.fuscaのクチナーゼは、24時間のインキュベーション後に1.5倍高い生成物濃度を示した(55)。また、Alcaligenes faecalisのポリヒドロキシ酪酸デポリメラーゼの結合ドメインと融合したThermomyces cellullosyliticaのクチナーゼは、結合ドメインを有しないものと比べて3倍高い生成物濃度を示した(56)。PET表面への結合親和性を改善するための別のアプローチとして、ハイドロフォビンとクチナーゼの融合タンパク質が報告されている(57)。速い成分と遅い成分のメカニズムはまだ明らかではないが、遅い成分の結合速度定数と解離定数はいずれもPET2野生型とPET2(7M)との間に大きな違いはなかったため、遅い成分はPET分解に寄与していないと考えられる(表1)。 Single-molecule fluorescence imaging revealed that the binding rate constant of PET2(7M) was 2.7-fold that of PET2 wild-type (Fig. 5D, Table 1). On the other hand, both enzymes had a fast component and a slow component in the dissociation rate constant, and these values and proportions were similar for both enzymes (Fig. 5E, Fig. 5F, Table 1). We initially predicted that the enhanced activity in the mutants was obtained by strong cation-π interactions between the mutant surface lysine or arginine residues and the aromatic ring of PET (50) . However, the results of this study suggest that the PET-bound state of PET2(7M) is not stabilized by surface charge mutation. Based on the proportions of the fast-releasing and slow-releasing components, we then calculated the binding rate constants of these components (Table 1). As a result, for PET2 wild type, the values for the fast and slow components were 1.9×10 8 s −1 μm −2 M −1 and 0.86×10 8 s −1 μm −2 M −1 , respectively. there were. For PET2 (7M), the values for the fast and slow components are 6.4×10 8 s −1 μm −2 M −1 and 1.1×10 8 s −1 μm −2 M −1 , respectively. there were. We also calculated these dissociation constants based on the ratio of the association and dissociation rate constants of the fast and slow components (Table 1). For PET2 wild type, the values were 2.3×10 −8 μm 2 M and 0.83×10 −8 μm 2 M for the fast and slow components, respectively. For PET2 (7M), the values were 0.78×10 −8 μm 2 M and 0.49×10 −8 μm 2 M for the fast and slow components, respectively. Thus, the association rate constant for the fast component of PET2(7M) is 3.4-fold higher than PET2 wild-type and the dissociation constant is 2.9-fold lower than PET2 wild-type. Interestingly, the activity of PET2 (7M) on amorphous PET films at 60 °C was 3.2-fold higher than that of PET2 wild-type (Fig. 6A), and on PET thin films at room temperature was 2.6-fold higher. . The difference in activity between PET2 wild-type and PET2(7M) was comparable to the difference in the association and dissociation constants of the fast component. Thus, the mutant has more positive charges than the PET2 wild type at pH 7.0 (Fig. 4C), and the PET surface has a negative charge (51) , so one plausible explanation is that PET2 (7M) A possible explanation is that electrostatic attraction increases the local enzyme concentration near the PET surface, facilitating fast binding. It has been reported that Rhizopus oryzae lipase binds efficiently to aliphatic polymers (polybutylene succinate, polybutylene adipate, polylactic acid) but not to PET (52) . The above results suggest that binding to PET requires different interactions. To further increase the PET2 binding rate constant, it may be necessary to modify the surface geometry of the enzyme to match the PET surface. For example, cellulose binding domains (CBMs) have finely tuned planes to match those of crystalline cellulose (53) . Interestingly, it was previously reported that CBM and PET surfaces interact strongly (54) . For example, T . fusca cutinase showed a 1.5-fold higher product concentration after 24 hours of incubation (55) . Also, Thermomyces cellulosylitica cutinase fused with the binding domain of Alcaligenes faecalis polyhydroxybutyrate depolymerase showed a 3-fold higher product concentration than without the binding domain (56) . Fusion proteins of hydrophobin and cutinase have been reported as another approach to improve binding affinity to PET surfaces (57) . Although the mechanism of the fast and slow components is still unclear, both the association and dissociation constants of the slow component were not significantly different between PET2 wild-type and PET2(7M), suggesting that the slow component contributes to PET degradation. It is thought that it does not contribute (Table 1).

本研究では、PET2(7M)は長期熱安定性を示し、0.1μMの酵素により、非晶性PETフィルム(1.3cm/mL、16mg/mL)から68℃、24時間のインキュベーションで129μMの生成物が生産された(図6B)。ここで、本PET2変異体と、過去に報告されている他のPET加水分解酵素とを比較する。合理的に改変された0.5μMのIsPETase変異体(S121E-D186H-R280A)は、我々の用いた非晶性PETと同様のDSCプロファイルを示す2.0cm/mLの非晶性PETから、40℃、1日間のインキュベーションにより約70μMの生成物を生産した(58)。したがって、PET2(7M)はこのIsPETase変異体よりも大量の生成物を生産したといえる。同様に、IIa型PET加水分解酵素に属する新規酵素PE-H(Y250S)変異体(59)は非晶性PETに対してPET2(7M)に比べて非常に少量しか生成物を生産していない。一方、2μMのCut190変異体(Q138A-D250C-E296C-Q123H-N202H)は、我々の研究で使用したものと同じ非晶性PETから、70℃、3日間のインキュベーションにおいて、17.5mMの生成物を生成した(15)。この量は我々のものよりもはるかに多く、同じ生産量に達するにはPET2(7M)の活性を2倍に増強させる必要がある。また、Bacillus subtilisで発現した1.5nmolのTfCut2は、70℃、24時間(速度23.5min-1)後に9.9mgの非晶性PETチップを分解し、120時間後にはチップはほぼ完全に分解された(13)。PET2(7M)の活性をさらに改善するため、以下の戦略が有効であろう。PET2野生型及びPET2(7M)による非晶性PETフィルムの分解中、比較的大量のMHETが生成物として溶液中に残留していた(図6C)。IsPETaseとMHETaseの融合酵素はPET分解に相乗的効果を示したことから(60)、MHETをTPAに完全に分解するには、MHETaseとの融合酵素の作製が効果的であろう。基質に関しては、接触可能な表面積を増やして分解を促進する効果的な方法として、PETの粉砕が挙げられる。実際、TfCut2のPETナノ粒子(<100nm)に対する解離定数は低く、等温滴定熱量測定により0.043mg/mL-1と決定された(61)。さらに、アガロースゲル(平均直径=164nm)に固定化したPETナノ粒子に対する比濁分析による解離定数は0.031mg/mL-1であった(62)。基質の接触可能な表面を増加させることは酵素の結合を改善するための有望な手段である。さらに、Tournier et al.は天然LCCを用いて2mg/mLの非晶性PET粉末懸濁液(500μmメッシュよりも小さい)から1時間、mg酵素当たり93.2mgのTPA等量の生成物を生産した(約270min-1に相当)(12)。彼らはまた、20kgの廃棄PET粉末の90%を10時間未満で加水分解する熱安定性LCC変異体(F243I-D238C-S283C-Y127G)の作製にも成功している(12)In the present study, PET2 (7 M) exhibited long-term thermal stability, with 0.1 μM of the enzyme activating 129 μM from amorphous PET film (1.3 cm 2 /mL, 16 mg/mL) at 68° C. for 24 hours of incubation. of product was produced (Fig. 6B). Here, this PET2 mutant is compared with other previously reported PET hydrolases. A rationally engineered 0.5 μM IsPETase variant (S121E-D186H-R280A) showed a similar DSC profile to the amorphous PET we used. Incubation at 40° C. for 1 day produced approximately 70 μM of product (58) . Therefore, PET2(7M) produced more product than this IsPETase mutant. Similarly, the novel enzyme PE-H (Y250S) mutant (59) belonging to the type IIa PET hydrolases produced much less product on amorphous PET compared to PET2 (7M). . On the other hand, 2 μM of the Cut190 variants (Q138A-D250C-E296C-Q123H-N202H) yielded 17.5 mM of product from the same amorphous PET used in our study, upon incubation at 70° C. for 3 days. generated (15) . This amount is much higher than ours, requiring a 2-fold enhancement of the activity of PET2(7M) to reach the same output. In addition, 1.5 nmol of TfCut2 expressed in Bacillus subtilis decomposed 9.9 mg of amorphous PET chip after 24 hours at 70°C (rate: 23.5 min -1 ), and after 120 hours the chip was almost completely decomposed. decomposed (13) . To further improve the activity of PET2(7M), the following strategies may be effective. During degradation of amorphous PET films by PET2 wild-type and PET2(7M), a relatively large amount of MHET remained in solution as a product (Fig. 6C). Since IsPETase and MHETase fusion enzymes have shown a synergistic effect on PET degradation (60) , the production of fusion enzymes with MHETase would be effective in completely degrading MHET to TPA. With respect to substrates, grinding of PET is an effective way to increase the accessible surface area and promote degradation. Indeed, the dissociation constant of TfCut2 for PET nanoparticles (<100 nm) is low, determined by isothermal titration calorimetry to be 0.043 mg/mL −1 (61) . Furthermore, the nephelometric dissociation constant for PET nanoparticles immobilized in agarose gel (mean diameter=164 nm) was 0.031 mg/mL −1 (62) . Increasing the accessible surface of the substrate is a promising means to improve enzyme binding. Furthermore, Tournier et al. produced 93.2 mg TPA-equivalent product per mg enzyme from 2 mg/mL amorphous PET powder suspension (smaller than 500 μm mesh) using native LCC (approximately 270 min −1 equivalent to) (12) . They also successfully generated a thermostable LCC variant (F243I-D238C-S283C-Y127G) that hydrolyzed 90% of 20 kg of waste PET powder in less than 10 hours (12) .

酵素の観点からは、酵素あたりの活性をさらに向上させるためには、酵素がポリマー基質から解離することなく触媒サイクルを繰り返す、いわゆる「プロセッシブな触媒作用」が望ましい。例えば、ポリカプロラクトンの場合、樹脂に埋め込まれた酵素によるプロセッシブな分解を利用することで、1日でほぼ完全な分解が達成されている(63)。ポリマー鎖間に強い疎水性相互作用を有するPETのプロセッシブな分解のために、PET加水分解酵素はPETのガラス転移温度よりも高い温度での熱安定性を獲得することが望ましい。さらに、PET加水分解酵素は、プロセッシブなセルラーゼやキチナーゼと同様に、解離せずに単一のポリマー鎖に沿って一方向に移動する能力も獲得することが望ましい(64)From the viewpoint of enzymes, so-called "processive catalysis", in which the enzyme repeats the catalytic cycle without dissociating from the polymer substrate, is desirable in order to further improve the activity per enzyme. For example, in the case of polycaprolactone, almost complete degradation has been achieved in one day using processive degradation by enzymes embedded in resins (63) . Due to the processive degradation of PET, which has strong hydrophobic interactions between polymer chains, it is desirable for PET hydrolases to acquire thermal stability above the glass transition temperature of PET. In addition, PET hydrolases, like processive cellulases and chitinases, should also acquire the ability to move unidirectionally along single polymer chains without dissociation (64) .

結論として、PET加水分解酵素であるPET2の熱安定化と表面電荷修飾により、PET加水分解活性の向上に成功した。X線結晶構造解析により、プロリン変異は元のループ構造を維持し、システイン残基変異対はPET2のN末端でジスルフィド結合を形成することが明らかになった。IsPETaseの活性を増加させる変異に対応する変異のなかにはPET2に効果がないものもあったが、単一分子イメージング分析により、IsPETaseを参照として行った表面電荷修飾によりPET2の結合速度定数が増加し、活性の向上に寄与したことが明らかになった。なかでも、R47CとG89Cの2つのシステイン残基の導入はTmの大幅な上昇をもたらし、PET2の活性も向上させることから、最も有用な変異のひとつであることが明らかになった。7つの変異の組み合わせによりPET2のTmが6.7℃上昇し、反応至適温度は8℃上昇した。PET2(7M)はさらに効率的なPET加水分解酵素の構築のテンプレートの1つとなりうる。 In conclusion, we succeeded in improving PET hydrolysis activity by thermal stabilization and surface charge modification of PET2, which is a PET hydrolase. X-ray crystallography revealed that the proline mutation maintained the original loop structure and the cysteine residue mutation pair formed a disulfide bond at the N-terminus of PET2. Although some of the mutations corresponding to mutations that increase the activity of IsPETase had no effect on PET2, single-molecule imaging analysis showed that the surface charge modification, performed with IsPETase as a reference, increased the binding rate constant of PET2, It became clear that it contributed to the improvement of activity. Among them, the introduction of two cysteine residues, R47C and G89C, was found to be one of the most useful mutations because it significantly increased Tm and also improved the activity of PET2. The combination of seven mutations increased the Tm of PET2 by 6.7°C and the optimum reaction temperature by 8°C. PET2(7M) can serve as one of the templates for the construction of more efficient PET hydrolases.

アクセッションコード
PET2(2M)(F105R-E110K)及びPET2(7M)(R47CG89C-F105R-E110K-S156P-G180A-T297P)のPDB IDはそれぞれ7EC8、7ECBである。
The PDB IDs for accession codes PET2(2M) (F105R-E110K) and PET2(7M) (R47CG89C-F105R-E110K-S156P-G180A-T297P) are 7EC8 and 7ECB, respectively.

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(57) Ribitsch, D.; Herrero Acero, E.; Przylucka, A.; Zitzenbacher, S.; Marold, A.; Gamerith, C.; Kubicek, CP; Druzhinina, IS; Guebitz, GM Enhanced Cutinase-Catalyzed Hydrolysis of Polyethylene Terephthalate by Covalent Fusion to Hydrophobins. Appl. Environ. Microbiol. -92.
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(60) Knott, BC; Erickson, E.; Allen, MD; Gado, JE; Graham, R.; Kearns, FL; Pardo, I.; Copie, CM; Woodcock, HL; Donohoe, BS; Beckham, GT; McGeehan, JE Characterization and Engineering of a Two-Enzyme System for Plastics Depolymerization. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2020, 117, 25476-25485.

(61) Vogel, K.; Wei, R.; Pfaff, L.; Breite, D.; Al-Fathi, H.; Ortmann, C.; Estrela-Lopis, I.; Venus, T.; Schulze, A.; Harms, H.; Bornscheuer, U. T.; Maskow, T. Enzymatic Degradation of Polyethylene Terephthalate Nanoplastics Analyzed in Real Time by Isothermal Titration Calorimetry. Sci. Total Environ. 2021, 773, 145111.
(62) Wei, R.; Oeser, T.; Barth, M.; Weigl, N.; Lubs, A.; Schulz- Siegmund, M.; Hacker, M. C.; Zimmermann, W. Turbidimetric Analysis of the Enzymatic Hydrolysis of Polyethylene Terephthalate Nanoparticles. J. Mol. Catal. B: Enzym. 2014, 103, 72-78.
(63) DelRe, C.; Jiang, Y.; Kang, P.; Kwon, J.; Hall, A.; Jayapurna, I.; Ruan, Z.; Ma, L.; Zolkin, K.; Li, T.; Scown, C. D.; Ritchie, R. O.; Russell, T. P.; Xu, T. Near-Complete Depolymerization of Polyesters with Nano-Dispersed Enzymes. Nature 2021, 592, 558-563.
(64) Nakamura, A.; Okazaki, K. I.; Furuta, T.; Sakurai, M.; Iino, R. Processive Chitinase Is Brownian Monorail Operated by Fast Catalysis after Peeling Rail from Crystalline Chitin. Nat. Commun. 2018, 9, 3814.
(61) Vogel, K.; Wei, R.; Pfaff, L.; Breite, D.; Al-Fathi, H.; Harms, H.; Bornscheuer, UT; Maskow, T. Enzymatic Degradation of Polyethylene Terephthalate Nanoplastics Analyzed in Real Time by Isothermal Titration Calorimetry. Sci. Total Environ.
(62) Wei, R.; Oeser, T.; Barth, M.; Weigl, N.; Lubs, A.; Polyethylene Terephthalate Nanoparticles. J. Mol. Catal. B: Enzym. 2014, 103, 72-78.
(63) DelRe, C.; Jiang, Y.; Kang, P.; Kwon, J.; Hall, A.; Scown, CD; Ritchie, RO; Russell, TP; Xu, T. Near-Complete Depolymerization of Polyesters with Nano-Dispersed Enzymes. Nature 2021, 592, 558-563.
(64) Nakamura, A.; Okazaki, KI; Furuta, T.; Sakurai, M.; Iino, R. Processive Chitinase Is Brownian Monorail Operated by Fast Catalysis after Peeling Rail from Crystalline Chitin. 3814.

Claims (12)

ポリエチレンテレフタレート加水分解活性を有する、以下のいずれかのアミノ酸配列を含むタンパク質。
(A)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列;
(A1)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列と90%以上の配列同一性を有し、かつ前記R20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列;
(B)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列;
(B1)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列と90%以上の配列同一性を有し、かつ前記R20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列;
(C)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異を有するアミノ酸配列;又は
(C1)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異を有するアミノ酸配列と90%以上の配列同一性を有し、かつ前記R20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異を有するアミノ酸配列。
A protein comprising any of the following amino acid sequences, which has polyethylene terephthalate hydrolysis activity.
(A) an amino acid sequence having mutations R20C and G62C relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1;
(A1) an amino acid sequence having 90% or more sequence identity with an amino acid sequence having R20C and G62C mutations with respect to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, and having said R20C and G62C mutations;
(B) an amino acid sequence having mutations R20C, G62C, S129P, and T270P relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1;
(B1) has a sequence identity of 90% or more with the amino acid sequence having R20C, G62C, S129P, and T270P mutations with respect to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, and the R20C, G62C, S129P, and T270P mutations an amino acid sequence having
(C) an amino acid sequence having mutations R20C, G62C, S129P, T270P, G153A, E83K, and F78R relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO:1; or (C1) R20C, G62C, relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO:1; An amino acid sequence having 90% or more sequence identity with an amino acid sequence having mutations S129P, T270P, G153A, E83K, and F78R, and having mutations R20C, G62C, S129P, T270P, G153A, E83K, and F78R .
前記ポリエチレンテレフタレート加水分解活性のpH7.0における至適温度が60.0℃超である、請求項1に記載のタンパク質。 2. The protein according to claim 1, wherein the optimum temperature at pH 7.0 for the polyethylene terephthalate hydrolysis activity is above 60.0<0>C. 融解温度が70.0℃以上である、請求項1又は2に記載のタンパク質。 3. The protein according to claim 1 or 2, which has a melting temperature of 70.0°C or higher. 前記ポリエチレンテレフタレート加水分解活性が、カルシウムイオン非依存性である、請求項1~3のいずれか1項に記載のタンパク質。 The protein according to any one of claims 1 to 3, wherein said polyethylene terephthalate hydrolysis activity is calcium ion independent. pH7.0において、配列番号1のアミノ酸配列を有するタンパク質よりも高いポリエチレンテレフタレート加水分解活性を有する、請求項1~4のいずれか1項に記載のタンパク質。 5. The protein according to any one of claims 1 to 4, which has a higher polyethylene terephthalate hydrolysis activity than the protein having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 at pH 7.0. 前記R20C及びG62Cの変異の箇所の2つのシステイン残基がジスルフィド結合を形成する、請求項1~5のいずれか1項に記載のタンパク質。 The protein of any one of claims 1-5, wherein the two cysteine residues at the R20C and G62C mutations form a disulfide bond. 以下のいずれかのアミノ酸配列を含む、請求項1~6のいずれか1項に記載のタンパク質。
(A)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C及びG62Cの変異を有するアミノ酸配列;
(B)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、及びT270Pの変異を有するアミノ酸配列;又は
(C)配列番号1のアミノ酸配列に対してR20C、G62C、S129P、T270P、G153A、E83K、及びF78Rの変異を有するアミノ酸配列。
7. The protein according to any one of claims 1 to 6, comprising any of the following amino acid sequences:
(A) an amino acid sequence having mutations R20C and G62C relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1;
(B) an amino acid sequence having the mutations R20C, G62C, S129P, and T270P relative to the amino acid sequence of SEQ ID NO:1; or (C) R20C, G62C, S129P, T270P, G153A, Amino acid sequence with E83K and F78R mutations.
請求項1~7のいずれか1項に記載のタンパク質をコードする塩基配列を含むポリヌクレオチド。 A polynucleotide comprising a nucleotide sequence encoding the protein according to any one of claims 1 to 7. 請求項8に記載のポリヌクレオチドを含む組換えベクター。 A recombinant vector comprising the polynucleotide of claim 8 . 請求項9に記載の組換えベクターを含む形質転換体。 A transformant containing the recombinant vector according to claim 9 . 請求項1~7のいずれか1項に記載のタンパク質を含む、ポリエチレンテレフタレート分解用組成物。 A composition for decomposing polyethylene terephthalate, comprising the protein according to any one of claims 1 to 7. 請求項1~7のいずれか1項に記載のタンパク質によりポリエチレンテレフタレートを分解することを含む、リサイクル品の製造方法。 A method for producing a recycled product, comprising decomposing polyethylene terephthalate with the protein according to any one of claims 1 to 7.
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