塑料是一項偉大的化學材料發明，但難以分解的特性，又導致全球出現了塑料製品的「消化病」，微塑料廢物近年來對環境的汙染更是讓人觸目驚心。
法國研究人員設計了一種酶，可以有效分解最常見的一種塑料形式——聚對苯二甲酸乙二酯（PET）。這個過程中，可以將90％的相同塑料轉化回其原始原料。該反應的最終結果是可以直接重複使用，以製造新塑料瓶的原材料。
研究人員們表示，正在擴大該技術的規模，並於明年開設示範工廠。如果商用成功的話，它可以幫助社會解決我們面臨的最具挑戰性的塑料問題之一。
3月8日，相關論文以「An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles」為題發表在最新一期《Nature》上，以封面文章的形式出現。
「這是向前邁出的一大步，」樸茨茅斯大學（University of Portsmouth）負責酶創新中心的約翰·麥基漢（John McGeehan）評價道。《Science》雜誌更是以「『A huge step forward.』 Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles」進行了相關報導。
年產量7000萬噸的PET塑料
聚對苯二甲酸乙二酯（PET）是世界上最常用的塑料之一，每年生產量約達7,000萬噸。PET有多種用途，包括具有很高拉伸強度的薄膜（以聚酯薄膜市場銷售）。但它最普遍的用途還是塑料飲料瓶——這是環境塑料廢物的主要成分。PET最早是在1940年代開發的。到了2016年，科學家們發現了第一個可以分解並利用PET中碳的活生物體，它存在於塑料回收設施附近的沉積物中。
儘管像這樣的微生物可以解決塑料廢物的問題，但由於PET的碳主鏈最終被完全分解，它們無法使塑料更具可持續性。這意味著必須不斷提供新材料來替換損壞的PET容器，當前這些容器主要是來自石化產品材料。
PET是由氧和碳原子連接的碳環的長集合。為了以允許回收的方式將其分解，這些碳-氧鍵沒有被破壞，釋放了大量的環，然後可以將其重新連接。當前正在消化PET的微生物也會破壞該環，使其不適合回收。以往，回收公司通常最終會混合使用多種不同顏色的塑料。然後，他們使用高溫將其融化，生產出灰色或黑色的塑料原料，因此很少有公司希望使用它們來包裝產品。取而代之的是，這種材料通常會變成地毯或其他低級塑料纖維，最終最終被填埋或焚化。
但是，科學家已經發現了許多可以破壞PET連接的酶。這些都具有破壞葉子表面蠟狀塗層的作用，稱為「角質」（使這些酶成為角質酶）。這些為新工作提供了起始材料。首先，研究人員參加了一組角質酶並測試了他們分解PET的活性。活性最高的是堆肥堆（被稱為「葉枝堆肥角質酶（leaf-branch compost cutinase）， 2012年大阪大學的研究人員在堆肥中發現了一種這樣的酶。它可以切斷PET的兩個構件：對苯二甲酸酯和乙二醇之間的鍵。但是LLC演變成能破壞許多植物葉子上的蠟狀保護層的特性，它只能緩慢地破壞PET鍵，然後在65°C（PET開始軟化的溫度）下使用幾天後就破裂。
PET塑料的分解之困
儘管所有版本的PET都具有相同的化學式，但該材料可以固化為兩種形式：緊密堆積的結晶形式，和比較鬆散、無序的形式。大多數由PET製成的材料都具有這兩種形式，同時製造商們調整他們的含量比例，從而製成相應材料特性的塑料。
然而，結晶形式的緊密堆積，使得即使最有效的酶也難以消化這些塑料。幸運的是，有一個局部解決方案：加熱任何形式的PET，都會導致某些結晶的PET熔化成無序形式，從而使更多的PET得以消化。
不過，這又面臨著新的問題，因為酶本身經常融化，並在65°C或150°F以上的溫度下失活。此外，這些酶會分解成不同的聚合物，因此不能預期在PET上也能很好地起作用。
為了使該酶在PET上更好地發揮作用，可持續塑料公司Carbios的首席科學官Alain Marty與土魯斯大學的酶工程專家Isabelle Andre合作。他們首先分析了角質酶的結構並進行了化學模擬，以弄清PET與酶發生相互作用的「活性位點」。他們發現它適合酶表面上的凹槽，其中包括可以切割PET的位置。
為了改善PET在該凹槽中的貼合度，研究人員創建了一大批突變型的酶，以不同的組合改變了凹槽內部的每個胺基酸。儘管其中大多數幾乎消除了酶的活性，但實際上有一些提高了酶的活性，並用於進一步研究。
第二個問題是酶耐受高溫的能力問題。結果，研究人員找到線索：許多酶是通過與一種金屬離子相互作用來穩定的，這種金屬離子將酶的兩個部分固定在一起。於是，從最初的酶版本開始，研究人員設計了兩個胺基酸，可以在這兩個部分之間形成化學鍵（二硫鍵）。這一版本的酶，在高溫下比原始版本更穩定。
研究人員產生了數百種突變酶，它們改變了結合位點的胺基酸並添加了熱穩定酶。然後，他們在細菌中大量產生了突變體，並對其進行了篩選，以找到有效的PET破膠劑。重複此過程幾輪後，他們分離出一種突變酶，這種酶的PET鍵斷裂效率比天然LLC高10,000倍。它也可以在不破壞PET熔融溫度的72°C的條件下工作。
通過結合所有這些變化，研究人員工程化出四種四重變體（ICCG、ICCM、WCCG和WCCM），它們均具有相似或高於野生型LCC的比活性，熔融溫度也相對得以提高。在解聚試驗結果發現，ICCG和WCCG的轉化率最高，分別在20小時和15小時的時候，達到了82%和85%。
一種高效又便宜的方案
有了這種PET來源，原始酶可以在20小時內消化大約一半。研究團隊做出的最佳修改版，只需15小時即可達到85％的分解率。而且進一步優化條件後，他們能夠在10小時內達到90％的PET分解率。
儘管仍有一些殘留的結晶PET，但他們發現這些酶可以吸收1000公斤的PET廢料，然後從中生產863公斤的原料。換句話說，他們重新設計的酶，在消化PET方面比人體的消化酶在分解澱粉方面更有效。
然後，他們使用這種原材料通過標準的工業反應來製造新的PET產品。新產品的耐壓能力僅比標準化學來源的PET測得的值低5％。外觀上，它是常規生產的PET的10％以內。
與常規用石化原料製作相比，使用再生PET的成本是多少？作者估計，如果這種蛋白質的生產成本約為每公斤25美元，那麼該工藝的成本最終將約為用其製成的PET的成本的4％。儘管這可能不像石化產品那麼便宜（尤其是現在油價暴跌之後），但它將相對不受日後價格衝擊的影響，並且更具可持續性。
參考來源：https://www.sciencemag.org/news/2020/04/huge-step-forward-mutant-enzyme-could-vastly-improve-recycling-plastic-bottles
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4
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