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一種酶讓塑料分解率10小時內(nèi)達到90% 而且還很便宜
塑料是一項偉大的化學(xué)材料發(fā)明，但難以分解的特性，又導(dǎo)致全球出現(xiàn)了塑料制品的“消化病”，微塑料廢物近年來對環(huán)境的污染更是讓人觸目驚心。
法國研究人員設(shè)計了一種酶，可以有效分解常見的一種塑料形式——聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。這個過程中，可以將90%的相同塑料轉(zhuǎn)化回其原始原料。該反應(yīng)的最終結(jié)果是可以直接重復(fù)使用，以制造新塑料瓶的原材料。
研究人員們表示，正在擴大該技術(shù)的規(guī)模，并于明年開設(shè)示范工廠。如果商用成功的話，它可以幫助社會解決我們面臨的頗具挑戰(zhàn)性的塑料問題之一。
3月8日，相關(guān)論文以“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”為題發(fā)表在新一期《Nature》上，以封面文章的形式出現(xiàn)。
“這是向前邁出的一大步，”樸茨茅斯大學(xué)(University of Portsmouth)負責酶創(chuàng)新中心的約翰·麥基漢(John McGeehan)評價道。《Science》雜志更是以“‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles”進行了相關(guān)報道。
年產(chǎn)量7000萬噸的PET塑料
聚對苯二甲酸乙二酯(PET)是世界上常用的塑料之一，每年生產(chǎn)量約達7,000萬噸。PET有多種用途，包括具有很高拉伸強度的薄膜(以聚酯薄膜市場銷售)。但它普遍的用途還是塑料飲料瓶——這是環(huán)境塑料廢物的主要成分。PET最早是在1940年代開發(fā)的。到了2016年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了第一個可以分解并利用PET中碳的活生物體，它存在于塑料回收設(shè)施附近的沉積物中。
盡管像這樣的微生物可以解決塑料廢物的問題，但由于PET的碳主鏈最終被完全分解，它們無法使塑料更具可持續(xù)性。這意味著必須不斷提供新材料來替換損壞的PET容器，當前這些容器主要是來自石化產(chǎn)品材料。
PET是由氧和碳原子連接的碳環(huán)的長集合。為了以允許回收的方式將其分解，這些碳-氧鍵沒有被破壞，釋放了大量的環(huán)，然后可以將其重新連接。當前正在消化PET的微生物也會破壞該環(huán)，使其不適合回收。以往，回收公司通常最終會混合使用多種不同顏色的塑料。然后，他們使用高溫將其融化，生產(chǎn)出灰色或黑色的塑料原料，因此很少有公司希望使用它們來包裝產(chǎn)品。取而代之的是，這種材料通常會變成地毯或其他低級塑料纖維，最終最終被填埋或焚化。
但是，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多可以破壞PET連接的酶。這些都具有破壞葉子表面蠟狀涂層的作用，稱為“角質(zhì)”(使這些酶成為角質(zhì)酶)。這些為新工作提供了起始材料。首先，研究人員參加了一組角質(zhì)酶并測試了他們分解PET的活性。活性高的是堆肥堆(被稱為“葉枝堆肥角質(zhì)酶(leaf-branch compost cutinase)”)， 2012年大阪大學(xué)的研究人員在堆肥中發(fā)現(xiàn)了一種這樣的酶。它可以切斷PET的兩個構(gòu)件：對苯二甲酸酯和乙二醇之間的鍵。但是LLC演變成能破壞許多植物葉子上的蠟狀保護層的特性，它只能緩慢地破壞PET鍵，然后在65°C(PET開始軟化的溫度)下使用幾天后就破裂。
PET塑料的分解之困
盡管所有版本的PET都具有相同的化學(xué)式，但該材料可以固化為兩種形式：緊密堆積的結(jié)晶形式，和比較松散、無序的形式。大多數(shù)由PET制成的材料都具有這兩種形式，同時制造商們調(diào)整他們的含量比例，從而制成相應(yīng)材料特性的塑料。
然而，結(jié)晶形式的緊密堆積，使得即使有效的酶也難以消化這些塑料。幸運的是，有一個局部解決方案：加熱任何形式的PET，都會導(dǎo)致某些結(jié)晶的PET熔化成無序形式，從而使更多的PET得以消化。
不過，這又面臨著新的問題，因為酶本身經(jīng)常融化，并在65°C或150°F以上的溫度下失活。此外，這些酶會分解成不同的聚合物，因此不能預(yù)期在PET上也能很好地起作用。
為了使該酶在PET上更好地發(fā)揮作用，可持續(xù)塑料公司Carbios的首席科學(xué)官Alain Marty與圖盧茲大??學(xué)的酶工程專家Isabelle Andre合作。他們首先分析了角質(zhì)酶的結(jié)構(gòu)并進行了化學(xué)模擬，以弄清PET與酶發(fā)生相互作用的“活性位點”。他們發(fā)現(xiàn)它適合酶表面上的凹槽，其中包括可以切割PET的位置。
為了改善PET在該凹槽中的貼合度，研究人員創(chuàng)建了一大批突變型的酶，以不同的組合改變了凹槽內(nèi)部的每個氨基酸。盡管其中大多數(shù)幾乎消除了酶的活性，但實際上有一些提高了酶的活性，并用于進一步研究。
第二個問題是酶耐受高溫的能力問題。結(jié)果，研究人員找到線索：許多酶是通過與一種金屬離子相互作用來穩(wěn)定的，這種金屬離子將酶的兩個部分固定在一起。于是，從最初的酶版本開始，研究人員設(shè)計了兩個氨基酸，可以在這兩個部分之間形成化學(xué)鍵(二硫鍵)。這一版本的酶，在高溫下比原始版本更穩(wěn)定。
研究人員產(chǎn)生了數(shù)百種突變酶，它們改變了結(jié)合位點的氨基酸并添加了熱穩(wěn)定酶。然后，他們在細菌中大量產(chǎn)生了突變體，并對其進行了篩選，以找到有效的PET破膠劑。重復(fù)此過程幾輪后，他們分離出一種突變酶，這種酶的PET鍵斷裂效率比天然LLC高10,000倍。它也可以在不破壞PET熔融溫度的72°C的條件下工作。
通過結(jié)合所有這些變化，研究人員工程化出四種四重變體(ICCG、ICCM、WCCG和WCCM)，它們均具有相似或高于野生型LCC的比活性，熔融溫度也相對得以提高。在解聚試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ICCG和WCCG的轉(zhuǎn)化率高，分別在20小時和15小時的時候，達到了82%和85%。
一種高效又便宜的方案
有了這種PET來源，原始酶可以在20小時內(nèi)消化大約一半。研究團隊做出的好修改版，只需15小時即可達到85%的分解率。而且進一步優(yōu)化條件后，他們能夠在10小時內(nèi)達到90%的PET分解率。
盡管仍有一些殘留的結(jié)晶PET，但他們發(fā)現(xiàn)這些酶可以吸收1000公斤的PET廢料，然后從中生產(chǎn)863公斤的原料。換句話說，他們重新設(shè)計的酶，在消化PET方面比人體的消化酶在分解淀粉方面更有效。
然后，他們使用這種原材料通過標準的工業(yè)反應(yīng)來制造新的PET產(chǎn)品。新產(chǎn)品的耐壓能力僅比標準化學(xué)來源的PET測得的值低5%。外觀上，它是常規(guī)生產(chǎn)的PET的10%以內(nèi)。
與常規(guī)用石化原料制作相比，使用再生PET的成本是多少？作者估計，如果這種蛋白質(zhì)的生產(chǎn)成本約為每公斤25美元，那么該工藝的成本最終將約為用其制成的PET的成本的4%。盡管這可能不像石化產(chǎn)品那么便宜(尤其是現(xiàn)在油價暴跌之后)，但它將相對不受日后價格沖擊的影響，并且更具可持續(xù)性。
