科學家闡明了「吃」塑料的酶結構，並提升了它的降解效率

塑料作為大分子鏈聚合物，其難以降解的特性給環境帶來了沉重的負擔。科學家最近提出了一種生物降解方法，用新發現的一種酶來分解塑料瓶，以完成塑料垃圾的回收。

這種酶來自 2016 年發現的一種細菌。作為自然界中的分解者， 微生物面對人工聚合的塑料大分子往往無從下口。日本京都工藝纖維大學（Kyoto Institute of Technology）的小田耕平團隊的思路是，在污染密集的地方，微生物難以獲取穩定碳源，可能會飢不擇食地演化出降解塑料的能力。

他們從一個塑料瓶回收點收集了許多污染物樣本，與聚對苯二甲酸乙二酯（即 PET，塑料瓶主要成分，佔全球塑料產量 1/5）混合，篩選出了以 PET 為「食」的細菌Ideonella sakaiensis。

在當年的論文中，團隊提出這種細菌降解塑料的機理：通過 PET降解酶，將 PET 聚合物分解為單體，再將單體運送到細胞內部，分解為乙二醇和對苯二甲酸，這兩種產物可回收為化工原料。研究發現，完全降解實驗所用的塑料薄膜僅需幾周時間。

細菌降解薄膜的過程。圖片來自 Feeding on plastic，Science 2016

時隔兩年，英國朴茨茅斯大學的 John McGeehan 引領的國際團隊利用金剛石 X 射線分析闡明了這種酶的高清 3D 結構，並嘗試通過修飾提升其降解效率。論文發表在本周《美國科學院院報》上。

研究通過亮度 100 億倍於日光金剛石光源的解析，得到 PET 降解酶的結構。研究人員發現它與一些細菌中用於降解植物角質層的酶相似。團隊嘗試將 PET 降解酶的活性位點突變，使之獲取類似角質酶的活性特徵，本意是想驗證 PET 酶是否會失去降解塑料的能力，結果卻出人意料地將這種酶的效率提升了 20%。

修改過的酶開始降解塑料瓶的過程僅需數天，遠遠快於在自然環境中所需的數百年。研究人員表示酶的效率還能進一步提升，並能用於其它的塑料材料。在相似的例子中，廣泛應用於洗衣粉和生物能源的生產的工業酶，在數年的改進中其催化效率可提升 1000 倍。

正在探索的一種改進方法，是將酶移植進耐高溫的一種細菌當中。在 70℃ 時，PET 由堅硬變得粘稠，分解效率將得以提高。

按照 McGeehan 教授的構想，如果能用這種酶將塑料聚合物還原成單體，塑料的回收率將大為提升，同時降低對原料石油的需求。

其它類型塑料的生物降解也有了一些進展，如中科院昆明植物所的許建初團隊找到了可以降解聚氨基甲酸酯（PU）的塔賓麴黴菌，北京航空航天大學的楊軍團隊也發現了降解聚乙烯的昆蟲等。

生物酶無毒、高效、易於大量生產，是分解塑料垃圾的理想工具，前提是從無數次篩選和優化中脫穎而出。新的研究表明，對 PET 分解酶的優化是可行的，應對白色污染的新方法正逐漸成形。

論文 DOI:10.1073/pnas.1718804115

題圖 Pixabay

我們做了一個壁紙應用，給你的手機加點好奇心。去 App 商店搜好奇怪下載吧。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！