这种会“吃”塑料的细菌，能否攻克塑料污染难题？

今天我们随手一扔的塑料瓶，即使数百年之后仍会屹立于大地之上。不断堆积的塑料已然造成了极其严重的污染问题，对生态造成的破坏尤为触目惊心，比如海洋中的许多生物正因它们的存在而面临死亡威胁。

近年来，科学家发现了能真正以塑料为食的菌株，通过运用蛋白质工程和蛋白质进化等方式，不断的对这些菌株进行改进以提高它们的运作效率。虽然这种细菌并不能立竿见影地彻底解决塑料污染问题，但也的确显示出了这些细菌能如何帮助制造出更环保的回收利用。

塑料是一种复杂且不溶于水的聚合物，它们有着很长的重复的分子链。这些长分子链的强度使塑料成为一种十分耐用的材料，需要很长的时间才能被自然地降解。如果可以将它们分解成更小的可溶性化学单元，那么就可以通过收集和回收这些基础单元在闭环系统中形成新的塑料。

2016年，日本科学家测试了来自塑料瓶回收厂的不同细菌，发现Ideonella sakaiensis 201-F6可以消化用于制造一次性饮料瓶的塑料——PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）。这种细菌能分泌一种被称为PETase的酶，而这种酶能断开PET中的特定化学键（酯类），留下的那些较小的分子会被细菌吸收，并将分子中的碳作为食物来源。

塑料瓶分解过程。图片来源：Uwe T. Bornscheuer

尽管我们也知道之前还有其他的细菌酶也可以缓慢地消化PET，但新的酶显然似乎是专门为这项工作而生的。它能更快更有效地对塑料进行分解，具有用于生物循环的潜能。

因此，好几个研究团队一直试图通过研究PETase的结构来了解它的工作原理。在过去一年中，来自中国、韩国、英国，美国和巴西的团队都发表了高分辨率下酶的结构及相关机制分析的论文。

这些论文显示，执行化学消化的那部分PETase蛋白会与PET的表面结合，并在30°C时运作，使其能在生物反应器中回收利用。研究人员发现，通过轻微地改变酶的某些化学性质，使其与PET间有着不同的相互作用，就能让它比天然的PETase酶具有更高的工作速率。

尽管如此，在生物反应器中使用细菌酶对塑料进行分解再回收利用的想法，仍是一件知易行难的事。塑料的物理特性让它们并不容易与酶发生相互作用。

用于制作饮料瓶的PET具有一种半结晶结构，因此塑料分子非常紧密地堆积在一起，让酶难以接触。最新的研究表明，改进过的酶很可能具有非常强的功效，因为参与反应的那部分分子具有很强的接触能力，能够直击即便是被遮蔽起来的PET分子。

塑料危机。图片来源：Shutterstock

温和的改善

这两年间，PETase的活性并没有得到显著的改善，我们也远还未到能解决塑料危机的时刻。但这项研究有助于我们理解这种有着重大的应用前景的酶能如何分解PET，同时也让我们思考如何通过控制其活性来加速其运作速率。

想要通过人为方式改造酶以让其具有高于自然状态时所具有的工作效率，其实是件不太寻常的事。或许这一研究成果反映的一个事实正是——为了生存，细菌在最近进化出了用PETase对付人造塑料的本领。或许科学家可以通过工程优化PETase的形式来超越自然进化。

但这也存在一个令人担心的问题：虽然生物反应器中使用的任何改良过的细菌都可能受到高度控制，但它进化成可以降解和消耗塑料的这一能力或许意味着——我们如此依赖的塑料或许并没有我们想象中的那么耐用。

如果自然界存在更多的可以吃塑料的细菌，那么那些本来设计来保持多年的塑料产品或建筑结构就将受到威胁。到那时，为了防止塑料产品被饥饿的微生物污染，塑料行业将面临严峻挑战。

因抗生素滥用而产生的抗药性细菌的故事里，我们应汲取到的教训是——在对待细菌的问题上我们并没有多高的智慧。但尽管如此，至少这样的研究或许能给我们解决塑料污染问题带来一个好的开端。

文：Emily Flashman（牛津天体酶化学家）

译：糖兽

题图来源：123rf.com.cn

原文标题为“How plastic-eating bacteria actually work – a chemist explain”，首发于2018年4月18日的The Conversation。

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