科学家合成出新型“超级酶”,降解塑料速度提升6倍

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科学家合成出新型“超级酶”,降解塑料速度提升6倍
麻省理工科技评论 2020-10-10

2020-10-10

该成果或许在一两年内用于塑料回收产业
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该成果或许在一两年内用于塑料回收产业

每年,数以百万吨计的塑料垃圾要么被填埋,要么被焚烧,污染遍及整个地球,部分塑料污染严重的地区,人类和动物体内都不知不觉已经摄入了微型塑料颗粒,不仅缺乏高效的回收手段,而且每天还有更多的新塑料从石化资源中产出,塑料垃圾不断累积形成恶性循环。

聚对苯二甲酸乙二酯(PET)是生活中最常见的热塑性塑料,用于制造饮料瓶、零售包装、衣物或地毯等产品,在环境中自然分解需要数百年时间,现在,科学家们合成了一种新的“超级酶”,有望解决塑料垃圾难题。

这种超级酶降解塑料的速度比此前发现的酶快了 6 倍,并有望在未来一两年内用于塑料回收产业。这项研究由朴茨茅斯大学酶创新中心(CEI)主任约翰 · 麦基汉(John McGeehan)和美国国家可再生能源实验室(NREL)高级研究员格雷格 · 贝克汉姆(Gregg Beckham)共同领导,成果发表在《美国国家科学院院刊》上。

科学家合成出新型“超级酶”,降解塑料速度提升6倍

图|科学家称这种 “超级酶” 比普通酶降解塑料瓶的速度快了 6 倍(来源:PNAS)

这种超级酶是通过连接两种不同的酶设计而成的。早在 2016 年,科学家们曾在日本的一处垃圾掩埋场中发现一种特殊的细菌:Ideonella sakaiensis,它能够把塑料 PET 分解成为有机小分子,科学家们经过提炼优化,揭示了第一种酶的工程设计版本 PETase,可以使 PET 分解速度加快约 20%。后来,科学家又开发出了 MHETase 水解酶,不断提升 PET 生物降解的可能性,探索潜在的低能耗解决方案来处理塑料废物。

现在合成的这种超级酶,便是将 PETase 及其“伙伴”MHETase 结合起来做改进,整体活性增加了三倍,降解速度快了 6 倍。

这项研究的负责人、英国朴茨茅斯大学的约翰 · 麦基汉(John McGeehan)教授说:“当我们把这些酶连接起来时,出乎意料的是,我们观察到活性急剧增加。这是一个尝试制造更先进的分解酶的方法,且在工业上更具相关性。当然,这也是向大自然学习,然后把它带进实验室的故事之一。”

今年 4 月,法国 “绿色化学” 公司 Carbios 就曾开发了一种不同的酶,这种酶最初是在一堆树叶的堆肥中发现的,它能在 10 小时内降解 90% 的塑料瓶,不过最佳的分解条件需要在 72°C 温度环境下进行,DeepTech 曾对此进行过相关报道。

而现在新合成的这种超级酶可以在室温下工作。约翰 · 麦基汉说,将不同的方法结合起来可以加快商业应用的进程:“我们可以观察到 PETase 如何侵蚀塑料表面,而 MHETase 则将其进一步切碎,因此很自然地想尝试能否将它们组合在一起使用,模仿自然发生的事情。如果我们能够通过将酶连接在一起制造出更好、更快的酶,并将其提供给 Carbios 等公司,通过合作,我们有望在未来一两年内实现产业落地。”

科学家合成出新型“超级酶”,降解塑料速度提升6倍

图|约翰 · 麦基汉教授在酶创新中心做实验(来源:The Guardian)

分解天然聚合物(例如纤维素)的细菌在数百万年的时间里发展出了这种双重方法。科学家认为,通过将两种酶连接在一起,可以提高降解速度,并使它们更紧密地协同工作。

该小组现在正在研究如何调整这些酶,使它们工作得更快。“潜力巨大。”麦基汉说。目前,他所在的实验室正在推进建设一个耗资 100 万英镑的测试中心,Carbios 公司也正在建造相关制备工厂。

另外,麦基汉表示,将可分解塑料的酶与能分解天然纤维的酶结合起来,或许可以使混合材料得到充分回收。“(聚酯和棉)混合面料很难回收。我们一直在与生产这些纺织品的大型时装公司交流,他们目前确实很挣扎。”

关于塑料污染的问题可能需要双管齐下,一方面,减少塑料产品的使用,另一方面,像塑料这样坚固、轻便的材料非常有用,真正能实现回收利用是解决污染问题的关键。

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