本文发表于 *ACS Materials Letters*，2026年第8卷，文章类型为综述（Review），题为“Enzymatic Nylon Deconstruction: Enzyme Discovery, Engineering, and Opportunities”。作者包括Célestin Bourgery、Dai-ichiro Kato、Nikolas Capra、Matthew Korey、Liangyu Qian以及通讯作者Seiji Negoro（日本兵库县立大学）和Joshua K. Michener（美国橡树岭国家实验室）。该综述系统梳理了尼龙酶法解聚领域的研究进展、关键挑战与未来方向，旨在评估生物催化在尼龙循环利用中的潜力。
尼龙是一类半结晶合成聚酰胺，广泛用于纤维、薄膜和注塑制品。其中，尼龙-6和尼龙-6,6最具商业价值。尼龙生产依赖化石原料，能耗高达197 MJ/kg，温室气体排放为10.4 kg CO₂e/kg。传统回收方法存在局限：机械回收难以处理混合物料且多次循环后聚合物性能下降；化学回收虽可得到高纯度单体，但条件苛刻、成本高、常使用有害溶剂；热解回收则面临高温、规模化和经济性障碍。相比之下，酶法回收具有高选择性和温和反应条件的优势，可在混合塑料流中靶向水解特定聚合物。然而，聚酯（如PET）的酶法降解已取得显著进展，而聚酰胺的酶法降解仍处于早期阶段。尼龙水解酶（nylon hydrolase）的发现证明了生物系统演化出降解合成聚酰胺催化剂的可能性，但已报道的解聚产率仍然很低。该综述指出，限制因素主要来自尼龙的结构复杂性以及酶发现与工程化策略的不足。
综述首先详细介绍了第一个尼龙水解酶NylC的来源、结构与功能。NylC最初分离自1972年发现的Arthrobacter sp. KI72菌株，该菌株能够以6-氨基己酸（Ahx）寡聚体为碳氮源生长。NylC属于N端亲核水解酶（NTN hydrolase）家族，以前体形式合成，经自剪切形成由α亚基（27 kDa）和β亚基（9 kDa）组成的活性酶。自剪切发生在Asn266与Thr267之间，新暴露的Thr267的羟基作为催化亲核试剂。NylC与NylA、NylB等酶协同作用，将尼龙-6解聚为Ahx单体，后者进一步进入微生物代谢。NylC的晶体结构显示其以四聚体形式存在，活性位点位于二聚体界面。通过比较来自Kocuria sp. KY2和Agromyces sp. KY5R的同源酶序列，研究者鉴定出多个影响热稳定性的氨基酸位点。对NylCP2进行定点突变后获得的四突变体NylCP2-GYAQ，其熔点（Tm）从52 °C提升至88 °C，并首次展现出对高分子量尼龙-6和尼龙-6,6的水解活性。利用气相团簇二次离子质谱（GC-SIMS）和薄膜反射光强度法，测得NylCP2-GYAQ对尼龙薄膜的降解速率约为2.2 nm/h。这些工作为后续尼龙水解酶的挖掘与改造奠定了基础。
在酶发现方面，近年来研究者利用生物信息学和富集培养策略，从NTN水解酶家族中筛选出多种新型尼龙水解酶。Bell等人考察了40种天然和工程酶，发现NylC家族的NTN水解酶活性最高，但尼龙-6总水解产率仍低于0.7%。de Witt等人鉴定了6个NylC同源物，其中3个可水解尼龙-6寡聚体，但对聚合物尼龙-6无活性。Hoffman等人发现了一个来源于嗜热菌的NylC同源酶TvgC，该酶对尼龙-6和尼龙-6,6均有活性，且热稳定性优异。Drufva等人测试了95个NTN水解酶家族成员，发现约40%的酶在65 °C下能水解尼龙-6和/或尼龙-6,6，这表明热稳定性和尼龙水解活性在该家族中普遍存在。其中，Nyl10和Nyl50对尼龙-6,6表现出显著底物选择性，其产物滴度比对尼龙-6高16—19倍。值得注意的是，这些同源酶大多不携带尼龙寡聚体同化相关的附属酶基因，也未显示水平基因转移迹象，说明其尼龙水解活性可能是酶家族固有的底物混杂性，而非自然选择的结果。此外，一些聚氨酯酶（如UMG-SP-1）也被证实可水解尼龙-6，但其活性约为NylC的一半。目前，NTN水解酶仍是尼龙水解活性最高的酶家族，但进一步探索其他酰胺键裂解酶家族仍十分必要。
底物性质对酶法解聚效率影响显著。综述强调，分子量、结晶度、比表面积、亲疏水性以及添加剂的存在都会影响酶对聚合物链的可及性。Bocharova等人的研究表明，分子量是酶促水解产率的主要决定因素，而结晶度在解聚初期影响较小。Bourgery等人发现，增大比表面积仅在有限范围内有益，颗粒尺寸低于32 μm时产物滴度急剧下降。Shiraishi等人证明，通过酸预处理降低分子量可显著提高酶敏感性，最终实现尼龙-6和尼龙-6,6的完全单体化。然而，各研究间底物来源、制备方式和反应条件的巨大差异使得结果难以直接比较，因此建立标准化实验方案和参考酶体系对于领域发展至关重要。
酶工程方面，提升热稳定性是尼龙水解酶改造的关键目标，因为尼龙的玻璃化转变温度为65—90 °C，在高于该温度下反应有利于底物链段运动。NREL团队将NylCK的S111G/A137L突变引入后，Tm提高了16.4 °C，所得NylCK-TS在80 °C下仍具活性，并在60 °C反应7天后仍保留活性。Puetz等人通过随机诱变和分子动力学模拟，获得了NylC-HP变体（F134W/D304M/R330A），其比活性较亲本酶提高6.9倍，Tm达90 °C，是目前已知对尼龙-6和尼龙-6,6水解速度最快的聚酰胺酶，但解聚程度仍低于1%。Bayer等人对聚氨酯酶UMG-SP-1进行定点饱和诱变，G127M变体将尼龙-6水解率从2.7%提升至3.8%。总体而言，尼龙水解酶的活性和产率提升幅度仍然有限，未来需要结合结构引导的活性位点改造、底物结合沟的疏水性调节以及酶表面特性优化等策略。
结构生物学研究为理解尼龙水解酶的构效关系提供了重要基础。蛋白数据库中共有36个尼龙水解酶晶体结构，其中NylB及其变体占17个，NylC及其工程变体占12个，其余为Nyl50、Nyl10、Nyl12等新发现同源酶。NylB为单链酶，活性位点呈开放式口袋；NylC及其同源酶则以四聚体形式存在，活性位点位于功能二聚体界面，呈隧道状。位于活性位点附近的柔性环区携带芳香族残基，可能参与底物定位与稳定。NylB的晶体结构显示该环区在底物结合时发生开放—闭合构象变化，Nyl12也有类似现象。这些结构信息为理性设计提供了靶点。
在工艺层面，酶法解聚尼龙要实现工业应用仍需克服多重障碍。真实消费后尼龙废料常含多层膜、添加剂、着色剂及与其他聚合物的混合物，这些组分可能干扰酶活性。化学预处理与酶法解聚的耦合是一条有前景的路径。Negoro团队开发的三种化学-酶法策略包括：通过共聚引入琥珀酸单元破坏氢键、均相分散制备尼龙微粒以增大比表面积、以及甲酸诱导的可溶性寡聚化。后者使尼龙-6的酶促降解率超过40%，加入NylB-DNY后总降解率达84%。Bourgery等人通过优化反应条件，使Nyl12在无预处理条件下对尼龙-6和尼龙-6,6的解聚率分别达到约4%和2%，成为目前最有效的尼龙水解酶。下游分离纯化仍是关键瓶颈。尼龙-6的酶解产物Ahx可转化为ε-己内酰胺并重新聚合，而尼龙-6,6需完全水解为己二胺和己二酸后分别纯化。Drufva和Cahill等人提出直接利用寡聚体进行再聚合的策略，可保留约50—75%的原始酰胺键，获得更高分子量的再生聚合物，避免了高成本的单体分离。
生命周期评价（LCA）和技术经济分析（TEA）对于评估酶法尼龙回收的可行性至关重要。PET酶法回收的LCA研究表明，提高产率、简化预处理和降低能耗是决定环境效益的关键因素。尼龙水解酶路径同样需要在这些方面进行优化。未来，酶发现、理性设计与机器学习辅助工程、预处理工艺的协同发展，有望推动尼龙酶法解聚从实验室走向工业应用。此外，将酶解聚产物用于微生物转化以生产高附加值化学品，以及将降解酶直接整合到聚合物基体中的策略，也为尼龙循环经济提供了新的可能。