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塑料是一項偉大的化學(xué)材料發(fā)明，但難以分解的特性，又導致全球出現了塑料制品的“消化病”，微塑料廢物近年來(lái)對環(huán)境的污染更是讓人觸目驚心。
　　法國研究人員設計了一種酶，可以有效分解常見(jiàn)的一種塑料形式——聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。這個(gè)過(guò)程中，可以將90%的相同塑料轉化回其原始原料。該反應的最終結果是可以直接重復使用，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)的規模，并于明年開(kāi)設示范工廠(chǎng)。如果商用成功的話(huà)，它可以幫助社會(huì )解決我們面臨的頗具挑戰性的塑料問(wèn)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。
　　“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(jià)道?！禨cience》雜志更是以“‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles”進(jìn)行了相關(guān)報道。
　　年產(chǎn)量7000萬(wàn)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(wàn)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(chǎng)銷(xiāo)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(kāi)發(fā)的。到了2016年，科學(xué)家們發(fā)現了第一個(gè)可以分解并利用PET中碳的活生物體，它存在于塑料回收設施附近的沉積物中。
　　盡管像這樣的微生物可以解決塑料廢物的問(wèn)題，但由于PET的碳主鏈最終被完全分解，它們無(wú)法使塑料更具可持續性。這意味著(zhù)必須不斷提供新材料來(lái)替換損壞的PET容器，當前這些容器主要是來(lái)自石化產(chǎn)品材料。
　　PET是由氧和碳原子連接的碳環(huán)的長(cháng)集合。為了以允許回收的方式將其分解，這些碳-氧鍵沒(méi)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(huì )破壞該環(huán)，使其不適合回收。以往，回收公司通常最終會(huì )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(lái)包裝產(chǎn)品。取而代之的是，這種材料通常會(huì )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(chēng)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?；钚愿叩氖嵌逊识?被稱(chēng)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)現了一種這樣的酶。它可以切斷PET的兩個(gè)構件：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(kāi)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：緊密堆積的結晶形式，和比較松散、無(wú)序的形式。大多數由PET制成的材料都具有這兩種形式，同時(shí)制造商們調整他們的含量比例，從而制成相應材料特性的塑料。
　　然而，結晶形式的緊密堆積，使得即使有效的酶也難以消化這些塑料。幸運的是，有一個(gè)局部解決方案：加熱任何形式的PET，都會(huì )導致某些結晶的PET熔化成無(wú)序形式，從而使更多的PET得以消化。
　　不過(guò)，這又面臨著(zhù)新的問(wèn)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(huì )分解成不同的聚合物，因此不能預期在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(zhuān)家Isabelle Andre合作。他們首先分析了角質(zhì)酶的結構并進(jìn)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(diǎn)”。他們發(fā)現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部的每個(gè)氨基酸。盡管其中大多數幾乎消除了酶的活性，但實(shí)際上有一些提高了酶的活性，并用于進(jìn)一步研究。
　　第二個(gè)問(wèn)題是酶耐受高溫的能力問(wèn)題。結果，研究人員找到線(xiàn)索：許多酶是通過(guò)與一種金屬離子相互作用來(lái)穩定的，這種金屬離子將酶的兩個(gè)部分固定在一起。于是，從最初的酶版本開(kāi)始，研究人員設計了兩個(gè)氨基酸，可以在這兩個(gè)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定。
　　研究人員產(chǎn)生了數百種突變酶，它們改變了結合位點(diǎn)的氨基酸并添加了熱穩定酶。然后，他們在細菌中大量產(chǎn)生了突變體，并對其進(jìn)行了篩選，以找到有效的PET破膠劑。重復此過(guò)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(guò)結合所有這些變化，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。在解聚試驗結果發(fā)現，ICCG和WCCG的轉化率高，分別在20小時(shí)和15小時(shí)的時(shí)候，達到了82%和85%。
　　一種高效又便宜的方案
　　有了這種PET來(lái)源，原始酶可以在20小時(shí)內消化大約一半。研究團隊做出的好修改版，只需15小時(shí)即可達到85%的分解率。而且進(jìn)一步優(yōu)化條件后，他們能夠在10小時(shí)內達到90%的PET分解率。
　　盡管仍有一些殘留的結晶PET，但他們發(fā)現這些酶可以吸收1000公斤的PET廢料，然后從中生產(chǎn)863公斤的原料。換句話(huà)說(shuō)，他們重新設計的酶，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(guò)標準的工業(yè)反應來(lái)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(lái)源的PET測得的值低5%。外觀(guān)上，它是常規生產(chǎn)的PET的10%以?xún)取?br>　　與常規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(尤其是現在油價(jià)暴跌之后)，但它將相對不受日后價(jià)格沖擊的影響，并且更具可持續性。