这个超级生物酶能分解塑料，科学家无意中将它“升级”
2018/5/3 17:27:41 中国科普博览
来源：“中国科普博览”公众号(ID：kepubolan)
作者： 张昊
据《卫报》4月16日报道，近日英国科学家在研究2016年发现的某种PET塑料(聚对苯二甲酸乙二酯)降解酶的过程中，无意间改变了该酶的结构，导致其降解PET的能力有效提高，该项幸运指数爆表的发现很有可能在未来改变人类的生活方式和整个石油工业的格局。
从高中课本中我们已经了解过，酶是活细胞制造的某些特殊蛋白质(极少数是RNA)，它们参与生物体中的一系列生化反应，通过复杂而精妙的机制调控反应进行的速率、方向以及程度等，堪称是生物体内的魔法师。
人们利用酶的这些性质，人工制备生物酶，将其用于洗涤剂、原油污染处理、生物质燃料制备、杀灭有害细菌等场合。这次新升级的PET降解酶就是人类最新研发的生物酶之一。
PET降解酶升级：修改酶结构，增强活性
这次的发现还要追溯到2016年春天。当时，日本京都工艺纤维大学的科学家们宣布他们找到了一种可以高效分解PET塑料的细菌，并从中提炼出了相应的生物酶，震撼了学术界和工业界。之后，英国朴茨茅斯大学的John McGeehan教授率领的研究团队开始对PET降解酶的结构进行深入解析。他们的方法是利用同步辐射光源产生的强力X射线对这种酶的试样进行照射，通过X射线与样品的相互作用分析该酶的空间结构。
最近，John McGeehan教授的团队对该酶的结构进行了某些修饰，以期进一步了解这种酶的作用机理。不过，实验过程中却遇到了令科学家们始料未及的惊喜——这种酶的活性明显提高了!经过分析，科学家们认为是修饰操作改变了这种酶的结构，从而让PET分解能力得以升级。
虽然从目前结果看来，酶性能的提升有限，只有约20%。但是这项研究却明白无误地告诉我们，修改生物酶结构以增强其活性的方法同样可以应用于PET降解酶。要知道洗衣粉中的油污分解酶和生物质燃料制造过程中的催化酶活性在十几年时间里提高了将近一千倍。
可以分解塑料的微生物：奥秘就在它分泌的PET降解酶
2016年，来自日本的科学家团队在日本一处垃圾处理场分离出了某种特殊细菌，该细菌是人类已知的第一种将PET塑料作为食物来源的生物，可谓是天赋异禀。据悉，该团队在筛选了上百处垃圾回收站后才发现了这种神奇的细菌，该项研究也在去年3月11日登上了《科学》杂志。
科学家们发现，这种细菌可以在聚合物化学键层面上降解PET塑料，后者是最为常用的塑料品种之一，大部分的透明饮料瓶都是PET所制。在随后的研究中，科学家们分离出了这种细菌分解PET过程中分泌的一种塑料降解酶，正是这种酶使该细菌拥有可以消化PET的神奇能力。
其实，可以分解塑料的微生物之前也曾经有过报道。2015年冬天，科学家们已经发现某种真菌分泌的植物角质水解酶可以分解PET以及一些类似结构的高聚物。不过，这种来自真菌的酶并不是专门用来降解PET的，只是恰好被科学家挖掘出了这样的功能。此外培育真菌的成本要远远超过细菌，这也极大的限制了真菌PET降解酶的应用。而2016年日本科学家在垃圾山中寻获的这种神奇细菌却进化出了以PET作为主要碳来源即食物的本领，他们分泌的PET降解酶同人类分泌的胃酸和消化酶一样，都是用来促进自身食物消化的。
左图：PET分解细菌附着的PET薄膜表面，右图：(部分)分解后的点蚀状表面，右上小图：分解前的薄膜表面，来源：参考文献5
PET降解酶&塑料回收再利用&现有生物可降解塑料
由于PET这类高聚物中各单体间的化学键很难被普通方式破坏，在普通的塑料回收过程中，仅仅可以实现原料的降级再利用。例如，食品级PET塑料瓶回收后用来加热溶解成PET颗粒，之后再重新进行热加工，制成PET纤维，再利用纤维制造塑料绳或者等。而来自细菌的PET降解酶却可以破坏这种高聚物中的化学键，将其还原为对环境影响很小的对苯二甲酸和乙二醇。
PET回收利用的经典路线：分类——碾碎——制粉——化学纤维——环保编织袋
PET分解酶的分解路线，来源：参考文献5
现有的生物可降解塑料是利用淀粉、纤维素等可被微生物降解的高聚物制成的塑料，虽然对环境污染较小，但在使用性能上要稍逊一筹，应用场合有限，成本也要高于PET等聚合物塑料。
现有生物可降解塑料的再生循环，来源：网络
利用它，废弃PET塑料瓶降解不是事
超级PET降解酶的发现很有可能极大提升我们对塑料回收处理的能力和水平，众多的PET制品将被分解为制成它们的原始材料，这将会促使石油工业减少原料产能，转而利用循环回收的聚合物单体原料。
全球每年产生和消费的PET总量占到全球塑料消费总量的六分之一，大约为311兆吨。虽然PET是循环利用率最高的塑料制品之一，不过最终实现循环利用的PET制品也只有不到一半。目前，由于垃圾分类回收和严格的遗弃限制还没有在全世界所有国家实现，海洋成为了诸多废弃PET塑料瓶浪迹天涯后最终的归宿，这些塑料瓶由于密度大于水，在瓶身进水后会最终沉入海底，成为淤积在海底的有机污染物。
正常来说，PET塑料在海洋中的自然降解过程要持续数个世纪，利用新发现的PET分解酶可以极大的提升这一过程的速度。根据科学家们的设想，我们可以仿效利用微生物处理原油污染的方法，大量培育以PET为食的细菌并将它们散布到海洋中，完成对PET的分解后，细菌群落会自然消亡。
此外，科学家还设想利用生物工程技术将这种酶移植到高温下仍然可以生存的嗜极细菌(extremophile bacteria)中，从而进一步扩大这种酶的作用领域。假如在70摄氏度下细菌仍然能够存活并且酶仍然能保持活性，PET的分解速度将进一步提高到目前的10到100倍。
堆积如山的废弃PET塑料瓶，来源：网络
漂浮于海洋中的废弃PET瓶，来源：网络
PET降解酶，它也不是万能的
顾名思义，目前发现的PET降解酶是专门用来降解PET的，它的生化作用很明确，就是将PET高聚物中连接各个聚合单体的化学键切断，继而将单体降解为两种基本组分。然而，塑料的种类并不是只有PET一种，小编随口就能说出一大串来：PE(聚乙烯)，PVC(聚氯乙烯)，PI(聚酰亚胺)，PF(酚醛树脂)，特氟龙(聚四氟乙烯)，ABS树脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)……这些高分子材料的单体、聚合方式、聚合度、分子量全都不尽相同，适用于PET的降解酶是无法分解其余各种塑料的。
此外，在不少科研机构跟风研究塑料降解酶的同时，也有科学家提出应该对这种新处理方式的全生命周期进行系统评估，以确定在培育细菌以及细菌分解塑料的过程中，温室气体的排放量是否在可接受的程度。如果在这一循环历程中，温室气体的排放量直逼石油工业制造塑料过程中的排放，塑料降解生物酶的吸引力无疑将极大减弱。
启迪：发展生物降解技术成为未来积极方向
噬PET细菌和PET降解酶的发现给科学家们开辟了一个全新的研究方向。细菌在自然界中的进化速度是非常惊人的，它们可以很好地适应环境中的食物来源，并且在短时间内实现相应的进化。日本科学家们正是秉持着这样的理念，才最终在大阪府堺市的一个垃圾场找到了神奇的噬PET细菌。
未来，继续搜寻具有其它异能的神奇细菌，或者在实验室中主动培育针对各种塑料的降解菌种，以及像本次英国科学家这样对现有降解酶进行改良改性都将是可行的选择。
回顾这一系列发现，有太多充满戏剧性，甚至令人莞尔的情节。从最初的垃圾山寻踪发现奇异的嗜PET细菌，到分离出相应的降解酶，再到结构分析过程中不期而至的性能提升，无不向人们展现自然界的神奇和彰显人类智慧的伟大。虽然距离实用化仍然有漫长的道路要走，科学家们坚信发展这类生物降解技术将会是积极的方向。
参考文献：
1. https://gunosy.com/articles/RzInM
2. https://www.theguardian.com/environment/2018/apr/16/scientists-accidentally-create-mutant-enzyme-that-eats-plastic-bottles
3. https://www.theguardian.com/environment/2016/mar/10/could-a-new-plastic-eating-bacteria-help-combat-this-pollution-scourge
4. http://science.sciencemag.org/content/351/6278/1196
5. https://www.keio.ac.jp/en/press_releases/2016/cb96u90000005501-att/160330_2.pdf
6. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26291558
7. http://www.pnas.org/content/pnas/early/2018/04/16/1718804115.full.pdf
出品：科普中国
制作：大阪大学 张昊
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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