来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
导语
塑料污染是全球性环境难题，生物降解因其绿色温和的特性备受关注。近期，一项研究从不透明红球菌（*Rhodococcus opacus*）R7中鉴定出一种新型漆酶样多铜氧化酶LMCO1，并在大肠杆菌中实现高效异源表达。该酶在较宽泛的pH和温度范围内表现出稳定性，尤其在25–40°C和中性偏酸条件下可有效氧化低密度聚乙烯（LDPE）膜，使薄膜表面产生显著的氧化及形貌变化，为聚乙烯酶法降解提供了新的功能蛋白元件。
研究背景
聚乙烯（PE）是最广泛使用的合成塑料之一，凭借其稳定的碳碳骨架和疏水特性，自然降解极为缓慢，给生态环境带来巨大压力。当前物理与化学回收手段能耗高、二次污染重，寻找环境友好的生物降解途径成为研究热点。近年来，多种微生物被发现能够在聚乙烯表面定殖，并通过分泌氧化酶类破坏其致密结构，其中漆酶（laccase）和多铜氧化酶（multicopper oxidase, MCO）因其广泛的底物谱及无需辅因子的催化特性而受到重视。
漆酶是一类含铜的酚氧化酶，能够催化单电子氧化多种芳香和非芳香化合物，同时将分子氧还原为水。部分细菌来源的漆酶样多铜氧化酶不仅在木质素降解中扮演核心角色，还被证实具备氧化合成高分子的初步能力。然而，绝大多数已报道的PE降解酶活性偏低、催化条件苛刻，难以满足实际应用要求。不透明红球菌是一种具有强大代谢适应性的放线菌，能够降解多种有机污染物和疏水底物，其基因组中预测含有多个可编码MCO的基因，但相关酶在塑料降解中的功能尚未被系统解析。因此，从该菌株中挖掘新型漆酶样多铜氧化酶，并探究其对聚乙烯的氧化降解能力，具有重要的基础与应用价值。
研究方法
研究团队以不透明红球菌R7为起始材料，首先通过基因组序列分析筛选到一个注释为漆酶样多铜氧化酶的基因*LMCO1*。为进一步获取高纯度、高活性的蛋白，他们将*LMCO1*编码序列克隆至pET表达载体，导入大肠杆菌BL21(DE3)中进行异源表达。经过IPTG诱导后，采用镍离子亲和层析对C端组氨酸标签融合蛋白进行纯化，最终获得可溶性重组LMCO1酶。
酶学性质表征方面，研究者以2,2′-联氮-双(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)（ABTS）和2,6-二甲氧基苯酚（2,6-DMP）为底物，测定LMCO1的最适pH、最适温度及热稳定性。pH范围设定为3.0至9.0，温度梯度覆盖10°C至80°C，并使用不同缓冲体系严格控制条件。为进一步揭示酶的动力学参数，团队测定了以ABTS为底物时的米氏常数*K*m和最大反应速率*V*max。此外，还试验了常见金属离子（如Cu²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺）和有机溶剂对酶活性的影响，为后续聚乙烯降解实验确定操作窗口。
在降解能力评估中，研究者选取低密度聚乙烯（LDPE）膜作为作用底物。LDPE膜经清洗和干燥后，放入含有一定浓度LMCO1酶液的缓冲体系中，在25°C和37°C两种温度下静置孵育数天。以灭活酶液或不含酶的缓冲液作为阴性对照。孵育结束后，用扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜表面形貌，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表面化学基团的变化，并结合水接触角测量来评估膜表面亲疏水性的改变。同时测定反应液中的释放物，检验有无小分子氧化产物生成，以佐证聚乙烯主链是否发生了链断裂。
研究结果
经过异源表达与纯化，LMCO1蛋白产量可观，SDS-PAGE显示分子量约为65 kDa，符合理论预期。以ABTS为底物时，LMCO1的最适pH为4.5，在pH 4.0–6.0范围内保持60%以上活性；以2,6-DMP为底物时，最适pH偏向弱酸性。该酶最适温度约为55°C，但即使在25°C和37°C的温和条件下，仍分别展现出最大活性的约40%和65%，表明其在接近自然环境温度下依然具有可观的催化效率。热稳定性实验表明，LMCO1在40°C以下处理1小时活性基本不变，50°C处理1小时仍保留超过70%活性，展现出良好的中温稳定性，这对其在实际处理场景中的持久性非常重要。
动力学分析显示，以ABTS为底物时，LMCO1的*K*m为0.32 mM，*V*max为8.7 μmol/min/mg，表明酶与底物的亲和力较高、催化转换速率较快。金属离子影响实验中，0.5 mM Cu²⁺的添加使酶活性提升约45%，而Fe²⁺和Zn²⁺表现出一定抑制作用，这与漆酶铜离子辅因子需求的结构特性一致。有机溶剂耐受性方面，10%的甲醇或乙醇对活性影响轻微，表明酶在有机助溶剂共存环境中仍能保持功能。
聚乙烯降解实验是本研究的关键产出。SEM图像中，对照组LDPE膜表面光滑平整，而经过LMCO1处理7天的薄膜出现大量凹坑、裂纹及碎片脱落区域，表面粗糙度明显增加。这种形貌侵蚀在37°C处理的样品中更为显著，25°C条件也观察到一定程度的表面蚀刻。FTIR分析显示，处理后的LDPE膜在1715 cm⁻¹左右出现明显的羰基（C=O）伸缩振动峰，同时3300–3500 cm⁻¹区域的羟基（–OH）吸收增强，表明聚合物表面发生了氧化反应，引入了含氧官能团。与FTIR结果一致，水接触角从处理前的98°降低至79°（37°C处理组），表面明显亲水化，这有利于后续微生物或酶的进一步附着与攻击。
更为突出的是，反应液中检测到少量长链烯烃、烷烃及含氧片段，推测为PE主链在酶催化下发生了氧化断裂，释放出低聚物片段。这些结果共同证明，LMCO1不仅可以对聚乙烯膜进行表面氧化修饰，还具备直接引起主链裂解的潜力，这在已报道的漆酶类酶中较为罕见。值得注意的是，在25°C条件下，尽管反应速率低于37°C，但仍可观察到显著的氧化峰和表面侵蚀，提示该酶在实际环境温度下仍具应用潜力。
讨论与展望
该研究首次报道了从不透明红球菌R7中获得的漆酶样多铜氧化酶LMCO1对聚乙烯的降解功能。与传统真菌漆酶相比，LMCO1的中温适应性和中性偏酸环境下的稳定性赋予了它独特的应用优势。特别是其在25°C即可有效发挥作用，避免了高温加热耗能，为开发常温酶法预处理或生物修复工艺提供了重要基础。
不过，目前研究仍处于概念验证阶段。LMCO1对聚乙烯的降解速率距离实际工业化还有较大差距，处理时间偏长，并且需要优化介质体系中的氧传质与酶-材料接触界面。未来的工作可围绕以下几个方面展开：一是通过蛋白质工程对底物通道进行理性改造，提升酶与聚乙烯链段的结合能力；二是将LMCO1与其他塑料降解酶（如羟化酶、过氧化物酶）联用，构建多酶级联反应体系，实现从初始氧化到主链断裂再到完全矿化的协同催化；三是借助固定化技术或表面展示系统，提高酶的重复使用性和局部浓度；四是解析LMCO1作用于聚乙烯的详细分子机制，通过结构生物学手段阐明酶如何识别并结合高度疏水的聚合物表面，从而指导更高效的酶分子设计。
总而言之，LMCO1的发现为聚乙烯生物降解工具箱增添了一个具有中温活性和氧化断裂主链能力的候选酶。它既可以单独用于塑料材料的表面功能化处理，提高亲水性和后续微生物降解的易感性，也有望整合进集成化的生物回收流程，为应对白色污染提供一条源自红球菌的绿色路径。
参考来源
Pishan M, Sazegari S, Niazi A, et al. Heterologous expression and characterization of *Rhodococcus opacus* R7 laccase-like multicopper oxidase (LMCO1) enzyme for polyethylene biodegradation. *Scientific Reports*, DOI: 10.1038/s41598-026-59639-9.
DOI: 10.1038/s41598-026-59639-9