活性超强的突变酶问世:10小时分解90%的PET塑料!研发者:正加快到中国的计划

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活性超强的突变酶问世:10小时分解90%的PET塑料!研发者:正加快到中国的计划
麻省理工科技评论 2020-05-19

2020-05-19

科学家们设计出一种改进的PET水解酶,可快速将PET塑料垃圾转化回原始材料,还能用于制造新的食品级塑料瓶
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科学家们设计出一种改进的PET水解酶,可快速将PET塑料垃圾转化回原始材料,还能用于制造新的食品级塑料瓶

塑料,几乎是现代人类生活已经离不开的一种材料,但广泛应用之后产生的大量垃圾也日渐成为大自然的顽疾。

根据联合国环境规划署的数据统计,截至 2018 年,全世界每年产生的塑料废物已超 3 亿吨,其中超过 800 万吨的塑料会进入海洋,而据估计,自 1950 年代以来,全世界已累计生产了超过 80 亿吨塑料,其中约 60% 最终进入了生态环境或垃圾填埋场,很多塑料垃圾需要数十年乃至上百年的时间才能自然分解掉。

现在,事情的转机要来了。

来自法国 “绿色化学” 公司 Carbios 和图卢兹大学的科学家们设计出一种改进的 PET 水解酶,不仅可以快速将 PET 塑料垃圾转化回原始材料,还能用于制造新的食品级塑料瓶,该成果不久前曾登上 Nature 封面,Science 也进行了报道,被称作是“向前迈出了一大步。”

Carbios 公司的副总裁 Martin Stephan 在回复 DeepTech 的邮件中表示,团队计划在 2022-2023 年将该技术授权给部分 PET 生产商,大规模化的商业应用可能会在 2024-2025 年之间正式启动。

活性超强的突变酶问世:10小时分解90%的PET塑料

图|马尔代夫的 Thilafushi 岛上,人们丢弃的塑料瓶垃圾被堆积如山,形成了“垃圾岛”(来源:东方 IC)

塑料回收的难题

废弃塑料的回收利用并不是收集起来就完事了,关键是后续处理。

以聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为例,这是目前世界上最常用的塑料之一,每年产量约 7000 万吨,被广泛用于制造饮料的瓶子、零售的包装,以及聚酯纤维、电子产品器件等领域,但其中仅有大约 30%的塑料被回收,通常会经过热降解技术变成强度降低、机械性能损失的次档塑料,这些塑料会被制成塑料地毡或其他更低级的塑料纤维,最终还是难逃被填埋或焚化,完全算不上是真正实现了循环利用。

而且,出于回收成本和降解技术复杂度的考量,更多的塑料生产企业首选的方式还是重新合成 PET 塑料,这导致新的 PET 垃圾每年仍会持续积聚。

PET 具有高比例的芳香族对苯二甲酸酯单元(可降低链迁移率),是一种极难水解的聚酯。简单来说,这种塑料它具备较好的稳定性,拥有质量轻、抗冲击、耐疲劳、抗蠕变性、耐酸碱、耐水、耐油等一系列优点,化学惰性超强,但如果它成了垃圾,就很难分解处理,优点秒变缺点。

针对这样的垃圾,研究人员发现的一种新的 PET 水解酶显示出了惊人的效果,该酶在 10 小时内最终实现了把至少 90%的 PET 解聚为单体,生产率为每升每小时 16.7 克对苯二甲酸酯(200 克 / 公斤 PET 悬浮液,酶浓度为 3 毫克 / 克 PET ),这种高效、优化的酶性能优于迄今为止已知的所有 PET 水解酶。

同时实验证明,通过这种酶解聚的 PET 废料可以再次生产出生物回收 PET,而且与石化 PET 具有相同的特性,有望真正实现循环 PET 经济的概念。

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图|回收站被压缩打包的塑料瓶(来源:ISTOCKPHOTO)

寻找最强突变酶

这里有一个技术点是,玻璃化转变温度是材料的一个重要特性参数,材料的许多特性都在玻璃化转变温度附近发生急剧的变化。

而任何实际的酶法 PET 回收应用都需要蛋白质在 PET 玻璃化转变温度附近具有动力学稳定性,即 70°C。起初,研究人员使用了市售的无定形 PET(Gf-PET,由供应商 Goodfellow 提供)来比较已知的几种酶在最佳条件下水解 PET 的活性,这几种酶包括 Thermobifida fusca hydrolases(BTA1 和 BTA2)、Fusarium solani pisi cutinase(FsC)、Ideonella sakaiensis PETase (Is-PETase)以及 leaf-branch compost cutinase (LCC)等。

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图|在 PET 解聚实验中,各种水解酶的性能对比(来源:Nature )

经对比发现,LCC 在 65°C 时对 PET 的初始解聚速率最快,效率最高是其他测试酶的 33 倍,同时还具有最高的热稳定性,是已知能最大限度提高 PET 链的流动性和解聚效果的酶。

但即便如此,LCC 反应在 65℃下 3 天后会停止,转化率仅能达到 31%,不过,通过在停止的反应中添加 LCC,可以恢复初始动力学。因此,为了提高解聚产率,研究人员试图通过酶工程设计来进一步提升 LCC 的活性和热稳定性,寻找那个分解活性与温度的最佳契合点。

提升活性的关键,是找出 LCC 氨基酸残基中的活性位点进行特异性饱和突变。研究人员最终选择了 11 个位点进行靶向突变,产生了 209 种变异。经过一番比对,研究人员最终将目光聚焦到了 F243 位置的变体 I 和 W 上展开进一步分析,因为它们显示出了更高的活性,同时还锁定了变异体 T96M、Y127G、N246D 和 N246M,这些变异体表现出较高的熔融温度。

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图|提高诱变后 LCC 的 PET 解聚比活性(来源:Nature )

在此基础上,研究人员在 PET 水解酶中寻找二价金属结合位点来提高酶的热稳定性,为了降低反应成本和广泛的下游纯化需求,研究人员优选避免使用盐和添加剂,而是采取了用二硫键取代二价金属结合位点的替代策略,最终产生了 D238C / S283C 变体。

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图|通过添加二硫键改善 LCC 的热稳定性(来源:Nature )

最后,就是进行突变组合了。研究人员在新的热稳定变异体中添加了导致最高比活性的两个突变,随后又添加了 T96M、Y127G、N246D 和 N246M 突变进行测试,在对比活性和熔化温度进行分析后,四种变异体性能突出:F243I/D238C/S283C/Y127G(ICCG)、F243I/D238C/S283C/N246M(ICCM)、F243W/D238C/S283C/Y127G(WCCG)和 F243W/D238C/S283C/N246M(WCCM),它们保留了与野生型 LCC 相似或高于野生型 LCC 的比活性。

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图|LCC 不同变体的性能改进(来源:Nature )

研究人员将 PET 废料进行预处理(挤压和微粉化)后,对这四种四元变体(ICCG、ICCM、WCCG 和 WCCM)性能进行了评估,最终发现在 72°C 条件下可以最大限度地提高转化率,ICCG 变体在 9.3 小时中获得 90% 的解聚效果,成为其中最佳的选择。

这项实验还顺带估算出,回收 1 吨 PET 所需的酶成本约占原始 PET 吨价格的 4%,而每公斤酶蛋白质的生产成本约为 25 美元。

而且这种新的工艺可以“一举两得”。首先是回收代表 PET 重量主要部分的对苯二甲酸(1 吨 PET 废料可产生 863 千克对苯二甲酸),并可以将对苯二甲酸单体纯化到 99.8% 以上。而且,在此过程中,每公斤再生 PET 可产生 0.65 公斤硫酸钠,每年回收 10 万吨 PET 就能产生约 6 万吨硫酸钠,占全球硫酸钠市场的 0.28%(硫酸钠用于洗涤剂、纸张和玻璃行业,每年产量约 2150 万吨,年增长率为 2.9%)。

塑料大国的压力

Martin Stephan 对 DeepTech 表示,提高对 PET 解聚反应只是一个前提,后续的关键步骤还包括分离和纯化单体(PTA 和 MEG)等,4 月 15 日,Carbios 已宣布与 TechnipFMC(德希尼布 FMC,一家跨国石油、天然气公司)在法国里昂建立一个能验证 Carbios 酶回收可行性的工厂,预计将于 2021 年开始首批运营。

“整体来讲,这种工艺从经济角度考量是可行的。虽然短期内不能与拥有数十年和数亿吨生产经验的石化 PET 相比,但我们有潜力在成本上与石化 PET 相当。”

那么,这种解聚酶能否降解并回收其他材质的塑料垃圾?例如聚乙烯和聚苯乙烯。Martin Stephan 回应说,Nature 文章中描述的酶只是针对 PET 进行了优化,用于其他聚合物的其他酶的项目还在持续开发。另外,Carbios 会把技术成果带到生产和消费 PET 的地方,中国在这两方面都是非常重要的国家,Stephan 表示在加快针对中国市场的拓展计划。

根据 PlasticsEurope 的一份市场报告统计,全球塑料产量在 2018 年突破 3.59 亿吨,中国占世界塑料总产量达 30%,是名副其实的塑料生产大国,而近年来持续快速增长的网购、快递和外卖,更是导致了塑料垃圾迅速激增。

活性超强的突变酶问世:10小时分解90%的PET塑料

图|外卖包装很多都是塑料制品

有研究统计,2017 年仅中国的在线外卖业务就产生了 160 万吨包装垃圾,这其中包括 120 万吨塑料盒、17.5 万吨一次性筷子、16.4 万吨塑料袋和 4.4 万吨塑料勺子,2018 年这一数字增加到超 200 万吨,处理压力可谓日益紧迫。

在中国,新一轮的 “限塑令” 正在被加急推出。2020 年 1 月 19 日,国家发改委和生态环境部联合发布了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》,明确了禁限方向和工作目标;2020 年 4 月 10 日,国家发改委已起草《禁止、限制生产、销售和使用的塑料制品目录(征求意见稿)》,推动细化各领域塑料制品禁限生产、销售和使用的政策界限和执行标准,涵盖购物袋、农业地膜、医疗制品、一次性餐具、酒店用品、快递包装等多个领域。

或许可以期待,这种新的解聚酶能为中国海量的塑料垃圾带来一条技术解决路径。

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