Science:科學家找到了能「吃」塑料的細菌!

2021-01-16 我是科學家iScientist

塑料也許是最讓人驕傲又令人糾結的發明之一。這些輕便、結實、造價低廉的東西給人類帶來了極大的便利，卻也製造了幾乎同樣大的麻煩。2010年，光是192個沿海國家和地區產生的塑料垃圾就多達2.75億噸。大量難以降解的塑料垃圾，正在對環境和其他生物帶來不可磨滅的影響。


得不到妥善處理的塑料垃圾正在造成日益嚴重的不良後果。圖片來源：harleymarine.com

科學家們一直在思考人們能為解決白色汙染做些什麼。生物學家們把目光投向了能力強大「分解者」：微生物們能像分解枯枝敗葉一樣消滅塑料嗎？最近，日本京都工藝纖維大學（Kyoto Institute of Technology）的科學家小田耕平（Kohei Oda）課題組發現了一種相當有潛質的微生物。他們的研究論文[1]近日發表在最新一期的《科學》雜誌上。

負責進行生物降解工作的主要群體是微生物，對它們來說，降解的主要目的是「填飽肚子」。種類繁多的微生物攜帶各式各樣的酶類，幫助它們從其他生物不需要的東西中獲得能量和營養。然而，白色汙染卻是一個例外。許多常見的塑料是烴類在相當嚴格的條件下聚合的產物，它們的化學結構對於自然界來說是個新鮮玩意兒。怎麼「吃掉」它們，也是讓微生物們很發愁的事。站在這個意義上說，你平時棄若敝屣的塑膠袋，可是不折不扣的「科技結晶」。

要想找到可能「吃」塑料的細菌，不是一件容易的事。小田耕平的策略是：從塑料汙染物密集的地區找找看。要知道，人餓急了可是什麼都能吃。想在那些被白色汙染佔領的地帶生存，微生物也得相應地演化出一套本事吧？為此，研究者從一個塑料瓶回收點收集了250份被聚對苯二甲酸乙二酯（PET，塑料瓶的主要成分）汙染的樣本，包括廢水、土壤等等。然後，他們將這些樣本與低密度PET薄膜混合在一起，試圖篩選出能以PET為主要碳源的微生物。

之後，第46號培養瓶裡，研究者滿心期待的事情發生了。


第46號培養瓶裡裝著的並不是生命、宇宙以及任何事情的終極答案，但已足夠讓科學家們為之振奮。原圖來源：wikimedia.org

在這個培養瓶中的PET薄膜上，一個微生物群落正在逐漸滋長。顯微鏡觀察顯示，這是一個由細菌、原生動物和酵母樣細胞組成的「太歲」。隨著進一步分離培養，他們得到了利用這塊PET薄膜為群落輸送影響的幕後功臣：Ideonella sakaiensis。這是一種革蘭氏陰性的β-變形菌，具有降解PET薄膜的能力。它們附著的PET薄膜，在顯微鏡上出現大量的空洞。


左圖為培養20天後的第46號樣本；右圖為培養第70天後被部分降解了的PET薄膜（右上角為完整時的PET薄膜狀態；比例尺為0.5mm）。圖片來源：參考文獻[1]

進一步的生化分析顯示，當這些細菌黏附在塑料薄膜上的時候，它們能夠分解一種被稱為PET降解酶的蛋白質將PET降解，再將降解後的產物運入體內進一步「消化」，最終轉化為乙二醇和對苯二甲酸——這兩種結構相對簡單的有機物，就是它們的營養來源了。而對於人類來說，乙二醇和對苯二甲酸是有用的工業原料，即使處理起來，也比處理讓人頭疼的塑料垃圾簡單得多。


Ideonella sakaiensis是怎麼「吃掉」PET薄膜的。粘附在PET薄膜上的Ideonella sakaiensis會分泌出PET降解酶（PETase）將這些大分子聚合物降解為MHET單體，這些化合物會被轉運到細菌內部，並進一步分解為對苯二甲酸和乙二醇。圖片來源：參考文獻[2]

儘管看起來，利用I. sakaiensis來降解PET似乎是很美好的事情。但情況可並沒有那麼簡單。在小田耕平的實驗中，I. sakaiensis完全降解一塊小小的塑料薄膜需要六周的時間，這可算不上高效省時。對於科學家來說，這項研究最有價值的地方在於它告訴人們，自然界中酶類的演化速度可能比人類想像的要快。PET誕生至今不過短短70年，而自然界似乎早已有了應對之策。這些酶類究竟是怎樣出現的？人們的活動對它們施加了多大影響？要回答這些問題，人們可能需要從PET降解酶的結構和機制入手。而另一方面，如果我們能夠妥善利用Ideonella sakaiensis，並高效地處理和回收它們的產物，那麼也許，在白色汙染造成更嚴重的後果之前，我們手裡又多了一張能打的牌。

（編輯：Calo；排版：Sol_陽陽）

參考文獻：
1.Shosuke Yoshida, et al. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 2016: Vol. 351, Issue 6278, pp. 1196-1199 DOI: 10.1126/science.aad6359
2.Uwe T. Bornscheuer, Feeding on plastic. Science 2016: Vol. 351, Issue 6278, pp. 1154-1155 DOI: 10.1126/science.aaf2853文章題圖：參考文獻[1]



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