科學家闡明了“吃”塑料的酶結構,并提升了它的降解效率

塑料作為大分子鏈聚合物,其難以降解的特性給環境帶來了沉重的負擔。科學家最近提出了一種生物降解方法,用新發現的一種酶來分解塑料瓶,以完成塑料垃圾的回收。


這種酶來自 2016 年發現的一種細菌。作為自然界中的分解者, 微生物面對人工聚合的塑料大分子往往無從下口。日本京都工藝纖維大學(Kyoto Institute of Technology)的小田耕平團隊的思路是,在污染密集的地方,微生物難以獲取穩定碳源,可能會饑不擇食地演化出降解塑料的能力。


他們從一個塑料瓶回收點收集了許多污染物樣本,與聚對苯二甲酸乙二酯(即 PET,塑料瓶主要成分,占全球塑料產量 1/5)混合,篩選出了以 PET 為“食”的細菌 Ideonella sakaiensis。


在當年的論文中,團隊提出這種細菌降解塑料的機理:通過 PET 降解酶,將 PET 聚合物分解為單體,再將單體運送到細胞內部,分解為乙二醇和對苯二甲酸,這兩種產物可回收為化工原料。研究發現,完全降解實驗所用的塑料薄膜僅需幾周時間。

細菌降解薄膜的過程。圖片來自 Feeding on plastic,Science 2016

時隔兩年,英國樸茨茅斯大學的 John McGeehan 引領的國際團隊利用金剛石 X 射線分析闡明了這種酶的高清 3D 結構,并嘗試通過修飾提升其降解效率。論文發表在本周《美國科學院院報》上。


研究通過亮度 100 億倍于日光金剛石光源的解析,得到 PET 降解酶的結構。研究人員發現它與一些細菌中用于降解植物角質層的酶相似。團隊嘗試將 PET 降解酶的活性位點突變,使之獲取類似角質酶的活性特征,本意是想驗證 PET 酶是否會失去降解塑料的能力,結果卻出人意料地將這種酶的效率提升了 20%。


修改過的酶開始降解塑料瓶的過程僅需數天,遠遠快于在自然環境中所需的數百年。研究人員表示酶的效率還能進一步提升,并能用于其它的塑料材料。在相似的例子中,廣泛應用于洗衣粉和生物能源的生產的工業酶,在數年的改進中其催化效率可提升 1000 倍。


正在探索的一種改進方法,是將酶移植進耐高溫的一種細菌當中。在 70℃ 時,PET 由堅硬變得粘稠,分解效率將得以提高。


按照 McGeehan 教授的構想,如果能用這種酶將塑料聚合物還原成單體,塑料的回收率將大為提升,同時降低對原料石油的需求。


其它類型塑料的生物降解也有了一些進展,如中科院昆明植物所的許建初團隊找到了可以降解聚氨基甲酸酯(PU)的塔賓曲霉菌,北京航空航天大學的楊軍團隊也發現了降解聚乙烯的昆蟲等。


生物酶無毒、高效、易于大量生產,是分解塑料垃圾的理想工具,前提是從無數次篩選和優化中脫穎而出。新的研究表明,對 PET 分解酶的優化是可行的,應對白色污染的新方法正逐漸成形。


論文 DOI: 10.1073/pnas.1718804115

題圖 Pixabay


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