【科普】酶工程技术用于降解与回收塑料

垃圾全球目前每年生产约3.59亿吨塑料，其中有1.52亿至2亿吨被堆积在垃圾填埋场或自然环境中。塑料不仅会造成经济损失，也会对环境、海洋造成一定的影响。在这些垃圾中，有近7000万吨的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，最丰富的聚酯塑料，可用于纺织品和包装）。科学家们一直在研究有效的方法回收废弃的塑料以解决塑料垃圾的污染问题，PET的主要回收手段是热机械方法，但是这种方法容易导致塑料机械性能的损失。因此，工业上优选从头合成PET而不是再回收利用，最终导致PET废物的持续积累。此外，PET具有高比例的芳族对苯二甲酸酯单元（会降低链迁移率），这种聚酯很难水解。已经报道的为数不多的几种PET水解酶的生产率也十分有限。因此，塑料垃圾的降解与回收利用技术的研发是亟待解决的问题。

 

 

图：You eat what they eat. (图片来源于网络)

 

<什么是塑料垃圾>

塑料是以单体为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物。因塑料用做包装材料多为白色，所以因为塑料而产生的垃圾叫白色污染或者塑料垃圾。

塑料垃圾的危害：

塑料不易降解，埋在地下几千年甚至几万年也不会腐烂

回收过程因为分类困难不经济核算

累积的塑料垃圾影响环境的美观

所含成分有潜在危害，燃烧塑料垃圾又会产生有毒物质。例如甲苯、氯化氢、苯等。

动物误食引起悲剧。比如动物误吞游客随手丢的塑料瓶，会因为不消化而痛苦地死去、一些死去的海鸟或者其他海洋生物的肠胃中会有各种无法被消化的塑料。

 

<什么是酶工程技术>

是指工业上有目的的设置一定的反应器和反应条件，利用酶的催化性质的一门应用技术，在一定条件下催化化学反应，生产人类需要的产品或服务于其它目的的蛋白质工程学，它包括：酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。

 

<酶工程技术有望解决白色污染难题>

塑料垃圾已经成为了一个重大的环境问题，每年约2亿吨的塑料垃圾堆积在垃圾填埋场或自然环境中。导致该问题的一个重要原因是PET，它广泛用于制造塑料但是不容易回收利用。据美国的PET协会报道，全球PET回收率维持在大约31%的平均水平。

2016年，来自日本京都工业大学纺织科学研究所的科学家Kenji Miyamoto和其同事们在《Science》上首次报道了可“吞噬”PET的细菌，他们称之为Ideonella sakaiensis。这种细菌以PET为主要碳源和能量源，在30摄氏度左右即可发挥作用降解塑料垃圾。降解机制为：I. sakaiensis细菌使用一种酶（PETase）先将PET降解为MHET，随后另一种酶（MHETase）将其降解为对苯二甲酸与乙二醇。这项技术对于塑料的回收利用、环保等方面的意义非常重大。

 

图. 生长在PET表面的Ideonella sakaiensis细菌

 

 

图. Ideonella sakaiensis细菌对PET的降解过程

 

2020年4月9日，来自法国图卢兹大学的阿兰·马蒂（Alain Marty）和他的同事们在《Nature》发表题为“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”的论文。据报道，他们已经利用计算机辅助酶工程技术设计出一种酶，该酶可以在中试规模下有效地将PET分解为其单体成分。10小时后，团队的PET水解酶可以使PET解聚至少90％。这种高效的酶性能优于迄今为止报道的所有PET水解酶（包括2016年《Science》报道的来自Ideaella sakaiensis菌株的201-F6的酶以及相关的改良变体，这些变体引起了近期的关注。）更重要的是，所得的纯化单体具有与石化原料新鲜产生的单体相同的性质，因此可以重复用于制造塑料瓶，从而更接近基于PET的循环经济理念。该工作也被选为《Nature》该期的封面论文。

 

 

 

图1. 在PET解聚试验中，LCC优于所有其他评估的PET水解酶

 

a) 不同条件下对无定形Gf-PET的比水解活性的比较

b) 如a)中所述，通过LCC进行Pf-PET解聚的详细水解动力学

 

图2. 通过与2-HE(MHET)3底物接触的残基饱和，提高诱变后LCC的PET解聚比活性

 

a) 对接在野生型LCC（灰色色带）中的2-HE(MHET)3（彩色棒模型）的结构模型

b) 与野生型LCC在65℃下相比，F243I和F243W变体对Pf-PET解聚的比活性提高的百分比

 

图3. 通过添加二硫键改善LCC的热稳定性

 

a) 在确定的PET水解酶晶体结构中与二价金属离子配位的推定位点的位置。在野生型LCC（色带）上，催化残基（S165，D210和H242）和C端二硫键（C275-C292）显示为蓝色棒。二价金属离子显示为绿色球体

b) 随着CaCl₂浓度的增加，通过DSF评估野生型LCC和238C / S283C变体的解链温度

 

图4. LCC变体在消耗后的PET废料的酶解聚中的改进性能研究

 

a) 对于WCCG，ICCG，WCCM和ICCM变体以及野生型LCC在1 mg_enzymeg_PET^-1下PcW-PET解聚动力学的比较

b) 对于WCCG和ICCG变体，在3 mg_enzymeg_PET^-1下PcW-PET解聚动力学的比较

 

<结论>

PET降解酶的发现给塑料垃圾的降解与回收利用打开了一扇门，从最初日本的科学家在垃圾山发现奇异的嗜PET细菌，到分离出相应的降解酶，再到来自法国的科学家们利用计算机辅助酶工程技术将酶的性能提升，无不体现了自然的神奇与智慧的伟大。使用计算机辅助酶工程技术，可以在不到10小时的时间内将酶催化的PET解聚的转化率提高到90％以上。法国作者使用所得的精制对苯二甲酸单体合成PET，最终将其吹塑成瓶，从而实现了循环经济可回收。全球目前迫切需要解决塑料的处理问题，倡导可持续性发展和循环经济的理念，虽然距离真正普遍的实用化酶工程技术降解与回收塑料仍然有漫长的道路要走，但是最新进展所述的PET废弃物的酶处理可能有助于实现以上目标。

 

参考文献：

1. An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles， Nature, 2020.

链接：https://www.nature.com/nature/subscribe

2. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 2016.

 

（来源：化学通讯微信公众号，甄文瑶/撰稿）