科學家設計了一種會「吃」塑料的細菌

今天我們隨手一扔的塑料瓶，即使數百年之後仍會屹立於大地之上。不斷堆積的塑料已然造成了極其嚴重的汙染問題，對生態造成的破壞尤為觸目驚心，比如海洋中的許多生物正因它們的存在而面臨死亡威脅。

近年來，科學家發現了能真正以塑料為食的菌株，通過運用蛋白質工程和蛋白質進化等方式，不斷的對這些菌株進行改進以提高它們的運作效率。雖然這種細菌並不能立竿見影地徹底解決塑料汙染問題，但也的確顯示出了這些細菌能如何幫助製造出更環保的回收利用。

塑料是一種複雜且不溶於水的聚合物，它們有著很長的重複的分子鏈。這些長分子鏈的強度使塑料成為一種十分耐用的材料，需要很長的時間才能被自然地降解。如果可以將它們分解成更小的可溶性化學單元，那麼就可以通過收集和回收這些基礎單元在閉環系統中形成新的塑料。

2016年，日本科學家測試了來自塑料瓶回收廠的不同細菌，發現Ideonella sakaiensis 201-F6可以消化用於製造一次性飲料瓶的塑料——PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）。這種細菌能分泌一種被稱為PETase的酶，而這種酶能斷開PET中的特定化學鍵（酯類），留下的那些較小的分子會被細菌吸收，並將分子中的碳作為食物來源。

○ 塑料瓶分解過程。| 圖片來源：Uwe T. Bornscheuer

儘管我們也知道之前還有其他的細菌酶也可以緩慢地消化PET，但新的酶顯然似乎是專門為這項工作而生的。它能更快更有效地對塑料進行分解，具有用於生物循環的潛能。

因此，好幾個研究團隊一直試圖通過研究PETase的結構來了解它的工作原理。在過去一年中，來自中國、韓國、英國，美國和巴西的團隊都發表了高解析度下酶的結構及相關機制分析的論文。

這些論文顯示，執行化學消化的那部分PETase蛋白會與PET的表面結合，並在30°C時運作，使其能在生物反應器中回收利用。研究人員發現，通過輕微地改變酶的某些化學性質，使其與PET間有著不同的相互作用，就能讓它比天然的PETase酶具有更高的工作速率。

儘管如此，在生物反應器中使用細菌酶對塑料進行分解再回收利用的想法，仍是一件知易行難的事。塑料的物理特性讓它們並不容易與酶發生相互作用。

用於製作飲料瓶的PET具有一種半結晶結構，因此塑料分子非常緊密地堆積在一起，讓酶難以接觸。最新的研究表明，改進過的酶很可能具有非常強的功效，因為參與反應的那部分分子具有很強的接觸能力，能夠直擊即便是被遮蔽起來的PET分子。

○ 塑料危機。| 圖片來源：Shutterstock

溫和的改善

這兩年間，PETase的活性並沒有得到顯著的改善，我們也遠還未到能解決塑料危機的時刻。但這項研究有助於我們理解這種有著重大的應用前景的酶能如何分解PET，同時也讓我們思考如何通過控制其活性來加速其運作速率。

想要通過人為方式改造酶以讓其具有高於自然狀態時所具有的工作效率，其實是件不太尋常的事。或許這一研究成果反映的一個事實正是——為了生存，細菌在最近進化出了用PETase對付人造塑料的本領。或許科學家可以通過工程優化PETase的形式來超越自然進化。

但這也存在一個令人擔心的問題：雖然生物反應器中使用的任何改良過的細菌都可能受到高度控制，但它進化成可以降解和消耗塑料的這一能力或許意味著——我們如此依賴的塑料或許並沒有我們想像中的那麼耐用。

如果自然界存在更多的可以吃塑料的細菌，那麼那些本來設計來保持多年的塑料產品或建築結構就將受到威脅。到那時，為了防止塑料產品被飢餓的微生物汙染，塑料行業將面臨嚴峻挑戰。

因抗生素濫用而產生的抗藥性細菌的故事裡，我們應汲取到的教訓是——在對待細菌的問題上我們並沒有多高的智慧。但儘管如此，至少這樣的研究或許能給我們解決塑料汙染問題帶來一個好的開端。

文：Emily Flashman（牛津天體酶化學家）

譯：糖獸

原文標題為「How plastic-eating bacteria actually work – a chemist explain」，首發於2018年4月18日的The Conversation。原文連結：https://theconversation.com/how-plastic-eating-bacteria-actually-work-a-chemist-explains-95233。本文經作者授權翻譯。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。