全球每年生產(chǎn)3.59億噸塑料，其中1.5-2億噸就堆積在垃圾場(chǎng)，或暴露在自然界中。
而聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料最為豐富，全球每年產(chǎn)量近7000萬(wàn)噸——它就是我們每天都可能接觸到的塑料瓶。
塑料瓶的回收再利用，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到至關(guān)重要的作用。
這就是Nature最新封面文章所關(guān)注的問(wèn)題。
但現(xiàn)在的回收技術(shù)，要么會(huì)破壞PET的機(jī)械性能，要么就是酶水解效率過(guò)低。
近日，來(lái)自法國(guó)圖盧茲大學(xué)的團(tuán)隊(duì)就提出了一種新的酶：可以在10小內(nèi)水解90%的塑料瓶PET。相關(guān)論文以“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”為題發(fā)表在《Nature》上，當(dāng)日《Science》雜志以“‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles”進(jìn)行報(bào)道。
這比之前所有PET水解酶的效率都要高，更重要的是，水解后產(chǎn)生的單體，和石化材料中的單體具有相同特性。
這就大大推動(dòng)了塑料瓶的重復(fù)再利用。
PET：我要“溶解”了
要想水解PET，就先了解它。
PET可以凝固成2種形態(tài)：一種是緊密包裹的結(jié)晶形態(tài)，另一種是比較松散、無(wú)序的形態(tài)。
大多數(shù)塑料瓶中都存在這2種PET形態(tài)，制造商會(huì)根據(jù)塑料瓶的材料特性，調(diào)整它們的比例。
但是結(jié)晶形態(tài)的PET，它的結(jié)構(gòu)過(guò)于穩(wěn)定，以至于目前最有效的酶也難以完全消化。
可能你會(huì)問(wèn)，高溫不是會(huì)讓結(jié)晶形態(tài)的PET，變得松散、無(wú)序？
但是酶存在“高溫不耐癥”啊，溫度一上來(lái)，酶就失活了。
那如何翻過(guò)這“兩座大山”，讓酶更好的水解PET？
首先是結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題。
研究人員查閱了角質(zhì)酶(cutinase，一種α/β水解酶)的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了化學(xué)模擬，找出了PET與這種酶的相互作用位置：他們發(fā)現(xiàn)PET與酶表面的“凹槽”相吻合(包括PET被切割的位置)。
為了改善PET與這個(gè)凹槽的契合度，研究人員創(chuàng)造了一大批酶的突變版本，通過(guò)不同的組合，改變了凹槽內(nèi)側(cè)的每一個(gè)氨基酸。
接下來(lái)，就是酶不耐高溫的問(wèn)題。
對(duì)相關(guān)的酶做了研究之后，似乎有了一種線索：許多酶是通過(guò)與一種金屬離子相互作用來(lái)穩(wěn)定的，這種金屬離子將酶的兩個(gè)部分固定在一起。
因此，從這種酶的原始版本開(kāi)始，研究人員在兩種氨基酸中進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，可以在這兩部分之間形成化學(xué)鍵。這種版本的酶，在高溫下就會(huì)更加穩(wěn)定。
最后，研究人員通過(guò)一系列的改良，創(chuàng)造出了2個(gè)版本的酶，并在切碎的塑料瓶上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
不僅水解效率高，還很便宜
如此改良后的水解酶，效率是極高的。
前人提出的水解酶，20小時(shí)內(nèi)能消化一半的PET。而在這項(xiàng)工作中，只需要15個(gè)小時(shí)，消化率就能達(dá)到85%。
不僅如此，通過(guò)優(yōu)化條件，他們能夠在10小時(shí)內(nèi)將PET分解率達(dá)到90%。
雖然還殘留一些結(jié)晶形態(tài)的PET，但這種效率已然是很高了：可以從1000公斤的PET廢料中提取出863公斤的原料。
換句話說(shuō)，重新設(shè)計(jì)的這種酶的效率，比我們身體里分解淀粉酶的效率還要高。
而后，研究人員還利用這些原料，以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造了新的PET產(chǎn)品。
這些新產(chǎn)品的耐壓能力，僅比用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)原料生產(chǎn)的PET值低5%；外觀方面也只差了10%，符合PET產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)然，成本也是一個(gè)重要的考量因素。
與石化原料相比，使用再生PET的成本是多少呢?
研究人員估計(jì)，如果制造這種蛋白質(zhì)的成本是每公斤25美元，那么這個(gè)過(guò)程的成本將是用這種蛋白質(zhì)制造PET成本的4%。
盡管這可能不像石化產(chǎn)品那么便宜，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，它將不受未來(lái)價(jià)格沖擊的影響，而且更具有可持續(xù)性。
One More Thing
這種酶不能回收其他主要類型的塑料，例如聚乙烯和聚苯乙烯，它們之間的鍵較難斷裂。但是，如果成功的話，它可以幫助社會(huì)解決我們面臨的最具挑戰(zhàn)性的塑料問(wèn)題之一。
Nature論文：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4
相關(guān)報(bào)道：
https://arstechnica.com/science/2020/04/researchers-engineer-enzyme-to-break-down-plastic-bottles/
