Nature封面：这种新的酶，10小时就能“吃掉”塑料瓶，分解率高达90%，还很便宜

十三 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

全球每年生产3.59亿吨塑料，其中1.5-2亿吨就堆积在垃圾场，或暴露在自然界中。

而聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料最为丰富，全球每年产量近7000万吨——它就是我们每天都可能接触到的塑料瓶。

塑料瓶的回收再利用，对环境保护起到至关重要的作用。

这就是Nature最新封面文章所关注的问题。

但现在的回收技术，要么会破坏PET的机械性能，要么就是酶水解效率过低。

近日，来自法国图卢兹大学的团队就提出了一种新的酶：可以在10小内水解90%的塑料瓶PET。

这比之前所有PET水解酶的效率都要高，更重要的是，水解后产生的单体，和石化材料中的单体具有相同特性。

这就大大推动了塑料瓶的重复再利用。

PET：我要“溶解”了

要想水解PET，就先了解它。

PET可以凝固成2种形态：一种是紧密包裹的结晶形态，另一种是比较松散、无序的形态。

大多数塑料瓶中都存在这2种PET形态，制造商会根据塑料瓶的材料特性，调整它们的比例。

但是结晶形态的PET，它的结构过于稳定，以至于目前最有效的酶也难以完全消化。

可能你会问，高温不是会让结晶形态的PET，变得松散、无序？

但是酶存在“高温不耐症”啊，温度一上来，酶就失活了。

那如何翻过这“两座大山”，让酶更好的水解PET？

首先是结构方面的问题。

研究人员查阅了角质酶(cutinase，一种α/β水解酶)的结构，并进行了化学模拟，找出了PET与这种酶的相互作用位置：他们发现PET与酶表面的“凹槽”相吻合(包括PET被切割的位置)。

为了改善PET与这个凹槽的契合度，研究人员创造了一大批酶的突变版本，通过不同的组合，改变了凹槽内侧的每一个氨基酸。

接下来，就是酶不耐高温的问题。

对相关的酶做了研究之后，似乎有了一种线索：许多酶是通过与一种金属离子相互作用来稳定的，这种金属离子将酶的两个部分固定在一起。

因此，从这种酶的原始版本开始，研究人员在两种氨基酸中进行工程设计，可以在这两部分之间形成化学键。这种版本的酶，在高温下就会更加稳定。

最后，研究人员通过一系列的改良，创造出了2个版本的酶，并在切碎的塑料瓶上进行实验。

不仅水解效率高，还很便宜

如此改良后的水解酶，效率是极高的。

前人提出的水解酶，20小时内能消化一半的PET。而在这项工作中，只需要15个小时，消化率就能达到85%。

不仅如此，通过优化条件，他们能够在10小时内将PET分解率达到90%。

虽然还残留一些结晶形态的PET，但这种效率已然是很高了：可以从1000公斤的PET废料中提取出863公斤的原料。

换句话说，重新设计的这种酶的效率，比我们身体里分解淀粉酶的效率还要高。

而后，研究人员还利用这些原料，以工业标准制造了新的PET产品。

这些新产品的耐压能力，仅比用标准化学原料生产的PET值低5%；外观方面也只差了10%，符合PET产品生产标准。

当然，成本也是一个重要的考量因素。

与石化原料相比，使用再生PET的成本是多少呢?

研究人员估计，如果制造这种蛋白质的成本是每公斤25美元，那么这个过程的成本将是用这种蛋白质制造PET成本的4%。

尽管这可能不像石化产品那么便宜，但相对来说，它将不受未来价格冲击的影响，而且更具有可持续性。

研究所介绍

这项研究的通讯作者分别是Isabelle André、S. Duquesne和A. Marty，均来自法国图卢兹生物技术研究院。

图卢兹生物技术研究所(TBI)，是一个生物与化学混合研究单位，隶属于法国国家科研院、法国国家科学研究中心和图卢兹国家科学研究院。

研究工作应用于卫生、生物技术、水和环境、食品加工和农业商业以及化学等领域。

TBI的目标是 “从基因到过程的联合能力”，同时将科学的卓越性与经济、社会的相关性结合起来。

One More Thing

最近，塑料污染越发严重：每年有10万只海洋哺乳动物、海龟和100万只海鸟死于海洋塑料污染。

甚至还有数据显示，超过90%的海龟食用过塑料；甚至冰川现在也被微塑料污染了。

虽然人类处于生态链的顶端，但地球是我们共同的家园，若是依旧这样污染环境、消耗资源，最终遭反噬的也必将是人类。

保护环境，人人有责。

传送门

Nature论文：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4

相关报道：
https://arstechnica.com/science/2020/04/researchers-engineer-enzyme-to-break-down-plastic-bottles/

作者系网易新闻·网易号“各有态度”签约作者

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