科学家阐明了“吃”塑料的酶结构,并提升了它的降解效率

塑料作为大分子链聚合物,其难以降解的特性给环境带来了沉重的负担。科学家最近提出了一种生物降解方法,用新发现的一种酶来分解塑料瓶,以完成塑料垃圾的回收。


这种酶来自 2016 年发现的一种细菌。作为自然界中的分解者, 微生物面对人工聚合的塑料大分子往往无从下口。日本京都工艺纤维大学(Kyoto Institute of Technology)的小田耕平团队的思路是,在污染密集的地方,微生物难以获取稳定碳源,可能会饥不择食地演化出降解塑料的能力。


他们从一个塑料瓶回收点收集了许多污染物样本,与聚对苯二甲酸乙二酯(即 PET,塑料瓶主要成分,占全球塑料产量 1/5)混合,筛选出了以 PET 为“食”的细菌 Ideonella sakaiensis。


在当年的论文中,团队提出这种细菌降解塑料的机理:通过 PET 降解酶,将 PET 聚合物分解为单体,再将单体运送到细胞内部,分解为乙二醇和对苯二甲酸,这两种产物可回收为化工原料。研究发现,完全降解实验所用的塑料薄膜仅需几周时间。


细菌降解薄膜的过程。图片来自 Feeding on plastic,Science 2016


时隔两年,英国朴茨茅斯大学的 John McGeehan 引领的国际团队利用金刚石 X 射线分析阐明了这种酶的高清 3D 结构,并尝试通过修饰提升其降解效率。论文发表在本周《美国科学院院报》上。


研究通过亮度 100 亿倍于日光金刚石光源的解析,得到 PET 降解酶的结构。研究人员发现它与一些细菌中用于降解植物角质层的酶相似。团队尝试将 PET 降解酶的活性位点突变,使之获取类似角质酶的活性特征,本意是想验证 PET 酶是否会失去降解塑料的能力,结果却出人意料地将这种酶的效率提升了 20%。


修改过的酶开始降解塑料瓶的过程仅需数天,远远快于在自然环境中所需的数百年。研究人员表示酶的效率还能进一步提升,并能用于其它的塑料材料。在相似的例子中,广泛应用于洗衣粉和生物能源的生产的工业酶,在数年的改进中其催化效率可提升 1000 倍。


正在探索的一种改进方法,是将酶移植进耐高温的一种细菌当中。在 70℃ 时,PET 由坚硬变得粘稠,分解效率将得以提高。


按照 McGeehan 教授的构想,如果能用这种酶将塑料聚合物还原成单体,塑料的回收率将大为提升,同时降低对原料石油的需求。


其它类型塑料的生物降解也有了一些进展,如中科院昆明植物所的许建初团队找到了可以降解聚氨基甲酸酯(PU)的塔宾曲霉菌,北京航空航天大学的杨军团队也发现了降解聚乙烯的昆虫等。


生物酶无毒、高效、易于大量生产,是分解塑料垃圾的理想工具,前提是从无数次筛选和优化中脱颖而出。新的研究表明,对 PET 分解酶的优化是可行的,应对白色污染的新方法正逐渐成形。


论文 DOI: 10.1073/pnas.1718804115

题图 Pixabay

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