這個超級生物酶能分解塑料,科學家無意中將它「升級」

2020-11-30 泡泡網

這個超級生物酶能分解塑料，科學家無意中將它「升級」

據《衛報》4月16日報導，近日英國科學家在研究2016年發現的某種PET塑料（聚對苯二甲酸乙二酯）降解酶的過程中，無意間改變了該酶的結構，導致其降解PET的能力有效提高，該項幸運指數爆表的發現很有可能在未來改變人類的生活方式和整個石油工業的格局。

從高中課本中我們已經了解過，酶是活細胞製造的某些特殊蛋白質（極少數是RNA），它們參與生物體中的一系列生化反應，通過複雜而精妙的機制調控反應進行的速率、方向以及程度等，堪稱是生物體內的魔法師。

人們利用酶的這些性質，人工製備生物酶，將其用於洗滌劑、原油汙染處理、生物質燃料製備、殺滅有害細菌等場合。這次新升級的PET降解酶就是人類最新研發的生物酶之一。

 

PET降解酶升級：修改酶結構，增強活性

這次的發現還要追溯到2016年春天。當時，日本京都工藝纖維大學的科學家們宣布他們找到了一種可以高效分解PET塑料的細菌，並從中提煉出了相應的生物酶，震撼了學術界和工業界。之後，英國樸茨茅斯大學的John McGeehan教授率領的研究團隊開始對PET降解酶的結構進行深入解析。他們的方法是利用同步輻射光源產生的強力X射線對這種酶的試樣進行照射，通過X射線與樣品的相互作用分析該酶的空間結構。

最近，John McGeehan教授的團隊對該酶的結構進行了某些修飾，以期進一步了解這種酶的作用機理。不過，實驗過程中卻遇到了令科學家們始料未及的驚喜——這種酶的活性明顯提高了！經過分析，科學家們認為是修飾操作改變了這種酶的結構，從而讓PET分解能力得以升級。

雖然從目前結果看來，酶性能的提升有限，只有約20%。但是這項研究卻明白無誤地告訴我們，修改生物酶結構以增強其活性的方法同樣可以應用於PET降解酶。要知道洗衣粉中的油汙分解酶和生物質燃料製造過程中的催化酶活性在十幾年時間裡提高了將近一千倍。

 

可以分解塑料的微生物：奧秘就在它分泌的PET降解酶

2016年，來自日本的科學家團隊在日本一處垃圾處理場分離出了某種特殊細菌，該細菌是人類已知的第一種將PET塑料作為食物來源的生物，可謂是天賦異稟。據悉，該團隊在篩選了上百處垃圾回收站後才發現了這種神奇的細菌，該項研究也在去年3月11日登上了《科學》雜誌。

科學家們發現，這種細菌可以在聚合物化學鍵層面上降解PET塑料，後者是最為常用的塑料品種之一，大部分的透明飲料瓶都是PET所制。在隨後的研究中，科學家們分離出了這種細菌分解PET過程中分泌的一種塑料降解酶，正是這種酶使該細菌擁有可以消化PET的神奇能力。

其實，可以分解塑料的微生物之前也曾經有過報導。2015年冬天，科學家們已經發現某種真菌分泌的植物角質水解酶可以分解PET以及一些類似結構的高聚物。不過，這種來自真菌的酶並不是專門用來降解PET的，只是恰好被科學家挖掘出了這樣的功能。此外培育真菌的成本要遠遠超過細菌，這也極大的限制了真菌PET降解酶的應用。而2016年日本科學家在垃圾山中尋獲的這種神奇細菌卻進化出了以PET作為主要碳來源即食物的本領，他們分泌的PET降解酶同人類分泌的胃酸和消化酶一樣，都是用來促進自身食物消化的。

 

左圖：PET分解細菌附著的PET薄膜表面，右圖：（部分）分解後的點蝕狀表面，右上小圖：分解前的薄膜表面，來源：參考文獻5

 

PET降解酶&塑料回收再利用&現有生物可降解塑料

由於PET這類高聚物中各單體間的化學鍵很難被普通方式破壞，在普通的塑料回收過程中，僅僅可以實現原料的降級再利用。例如，食品級PET塑料瓶回收後用來加熱溶解成PET顆粒，之後再重新進行熱加工，製成PET纖維，再利用纖維製造塑料繩或者等。而來自細菌的PET降解酶卻可以破壞這種高聚物中的化學鍵，將其還原為對環境影響很小的對苯二甲酸和乙二醇。

 

PET回收利用的經典路線：分類——碾碎——制粉——化學纖維——環保編織袋

 

PET分解酶的分解路線，來源：參考文獻5

 

現有的生物可降解塑料是利用澱粉、纖維素等可被微生物降解的高聚物製成的塑料，雖然對環境汙染較小，但在使用性能上要稍遜一籌，應用場合有限，成本也要高於PET等聚合物塑料。

 

現有生物可降解塑料的再生循環，來源：網絡

 

利用它，廢棄PET塑料瓶降解不是事

超級PET降解酶的發現很有可能極大提升我們對塑料回收處理的能力和水平，眾多的PET製品將被分解為製成它們的原始材料，這將會促使石油工業減少原料產能，轉而利用循環回收的聚合物單體原料。

全球每年產生和消費的PET總量佔到全球塑料消費總量的六分之一，大約為311兆噸。雖然PET是循環利用率最高的塑料製品之一，不過最終實現循環利用的PET製品也只有不到一半。目前，由於垃圾分類回收和嚴格的遺棄限制還沒有在全世界所有國家實現，海洋成為了諸多廢棄PET塑料瓶浪跡天涯後最終的歸宿，這些塑料瓶由於密度大於水，在瓶身進水後會最終沉入海底，成為淤積在海底的有機汙染物。

正常來說，PET塑料在海洋中的自然降解過程要持續數個世紀，利用新發現的PET分解酶可以極大的提升這一過程的速度。根據科學家們的設想，我們可以仿效利用微生物處理原油汙染的方法，大量培育以PET為食的細菌並將它們散布到海洋中，完成對PET的分解後，細菌群落會自然消亡。

此外，科學家還設想利用生物工程技術將這種酶移植到高溫下仍然可以生存的嗜極細菌（extremophile bacteria）中，從而進一步擴大這種酶的作用領域。假如在70攝氏度下細菌仍然能夠存活並且酶仍然能保持活性，PET的分解速度將進一步提高到目前的10到100倍。

 

堆積如山的廢棄PET塑料瓶，來源：網絡

 

漂浮於海洋中的廢棄PET瓶，來源：網絡

 

PET降解酶，它也不是萬能的

顧名思義，目前發現的PET降解酶是專門用來降解PET的，它的生化作用很明確，就是將PET高聚物中連接各個聚合單體的化學鍵切斷，繼而將單體降解為兩種基本組分。然而，塑料的種類並不是只有PET一種，小編隨口就能說出一大串來：PE（聚乙烯），PVC（聚氯乙烯），PI（聚醯亞胺），PF（酚醛樹脂），特氟龍（聚四氟乙烯），ABS樹脂（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）……這些高分子材料的單體、聚合方式、聚合度、分子量全都不盡相同，適用於PET的降解酶是無法分解其餘各種塑料的。

此外，在不少科研機構跟風研究塑料降解酶的同時，也有科學家提出應該對這種新處理方式的全生命周期進行系統評估，以確定在培育細菌以及細菌分解塑料的過程中，溫室氣體的排放量是否在可接受的程度。如果在這一循環歷程中，溫室氣體的排放量直逼石油工業製造塑料過程中的排放，塑料降解生物酶的吸引力無疑將極大減弱。

 

啟迪：發展生物降解技術成為未來積極方向

噬PET細菌和PET降解酶的發現給科學家們開闢了一個全新的研究方向。細菌在自然界中的進化速度是非常驚人的，它們可以很好地適應環境中的食物來源，並且在短時間內實現相應的進化。日本科學家們正是秉持著這樣的理念，才最終在大阪府堺市的一個垃圾場找到了神奇的噬PET細菌。

未來，繼續搜尋具有其它異能的神奇細菌，或者在實驗室中主動培育針對各種塑料的降解菌種，以及像本次英國科學家這樣對現有降解酶進行改良改性都將是可行的選擇。

回顧這一系列發現，有太多充滿戲劇性，甚至令人莞爾的情節。從最初的垃圾山尋蹤發現奇異的嗜PET細菌，到分離出相應的降解酶，再到結構分析過程中不期而至的性能提升，無不向人們展現自然界的神奇和彰顯人類智慧的偉大。雖然距離實用化仍然有漫長的道路要走，科學家們堅信發展這類生物降解技術將會是積極的方向。

 

參考文獻：

1. https://gunosy.com/articles/RzInM

2. https://www.theguardian.com/environment/2018/apr/16/scientists-accidentally-create-mutant-enzyme-that-eats-plastic-bottles

3. https://www.theguardian.com/environment/2016/mar/10/could-a-new-plastic-eating-bacteria-help-combat-this-pollution-scourge

4. http://science.sciencemag.org/content/351/6278/1196

5. https://www.keio.ac.jp/en/press_releases/2016/cb96u90000005501-att/160330_2.pdf

6. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26291558

7.     http://www.pnas.org/content/pnas/early/2018/04/16/1718804115.full.pdf

 

出品：科普中國 

製作：大阪大學 張昊 

監製：中國科學院計算機網絡信息中心 

 

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