Nature封面：爱“吃”塑料的酶

不易生物降解，曾经被认为是塑料制品的一个优点，但“成也萧何败也萧何”，这个特点也引发了众多的环境问题。用量如此之大的塑料制品除了少量被回收再利用之外，还有很多都去哪里了？2004年，英国普利茅斯大学的Richard C. Thompson等人在Science 杂志上发表了一篇短文，提出了“微塑料”的概念 ^[1]。尽管大多数塑料垃圾通过机械作用逐级分解，然而大量不可降解的微小塑料碎片（~20 μm）还是转移到了土壤和海洋中，特别是海洋中的微塑料，有人形象的称之为“海洋中的PM 2.5”，最终会进入生态圈和食物链，被包括人类在内的生物摄入（点击阅读相关）。

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在过去的40年里，人们对塑料制品越来越依赖，小到矿泉水瓶、外卖餐盒，大到长途运输包装箱，全都离不开塑料。目前，全球每年生产3.59亿吨塑料，其中1.5-2亿吨会很快变成垃圾就堆积在垃圾场，或暴露在自然界中^[2]。其中，聚对苯二甲酸乙二酯（PET），被广泛用于制造塑料瓶，是最令人头疼的塑料污染之一。

矿泉水平底标有“1”的，便是PET塑料。图片来源于网络

尽管人们正在通过垃圾分类回收塑料制品，并利用机械法将塑料切割，再经过高温融化制成黑色的塑料原料或低级塑料纤维，但是效果有限，只有30%的PET材料被循环利用，而更多的是被焚烧、填埋处理，最终还是会“闯入”食物链和生态圈中。

垃圾分类宣传图。图片来源于网络

近几年，科学家们一直试图寻找生物降解PET的有效方法。比如2012年，大阪大学的Shigenori Kanaya等研究人员在堆肥中发现了一种角质酶，称之为LCC（leaf-branch compost cutinase）^[3,4]，可以切断酯基，将PET分解为对苯二甲酸和乙二醇。不过LCC是微生物用来分解植物叶片上的蜡质保护膜，降解PET的速度仍然太低。考虑到地球上塑料污染规模惊人的巨大，他们“吃”塑料的速度，根本赶不上人类制造塑料的速度。

生物降解PET。图片来源：ACS Catal.^[4]

兵法有云，“知己知彼，百战不殆”。想要降解PET，就要先深刻地了解它。PET具有2种形态：结晶态和无序的非晶态，通过调整2种形态的比例，就可以改变塑料瓶材料的强度和性能。结晶态PET，结构过于稳定，酶难以“消化”；加热到65 °C条件下，PET开始软化，这使得酶更容易进入聚合物中，与酯基相互作用，然而在这个温度下，酶却逐渐失活。这个矛盾应该如何解决呢？

近日，法国图卢兹大学Alain Marty、Sophie Duquesne、Isabelle Andre等研究者重新设计了角质酶LCC，基因改造后的酶不但可以高效的降解聚对苯二甲酸乙二酯（PET），而且降解产物可以重新作为合成PET的原料，实现了完美的循环利用。相关论文作为封面文章发表于Nature 杂志。

Nature 封面

研究者首先筛选报道过可降解PET的生物酶，发现LCC的性能明显优于其他所有酶，降解非晶态PET的效率至少高于其他酶33倍以上。然而就是这个性能最好的LCC，在65 °C下降解结晶态PET时，3天后降解也趋于停止，降解率仅为31%。

降解PET的生物酶性能对比。图片来源：Nature

高温失活是限制LCC继续降解PET的原因，因此，研究者开始对原始LCC酶进行改造。他们首先分析了这种酶的晶体结构，确定了酶与PET之间结合处的关键氨基酸，随后对原始LCC酶进行靶向突变，并加入二硫化物桥以提高酶在高温下的稳定性。通过对209种突变酶进行筛选，测定降解活性，最终寻找到高活性、热稳定性的突变。

寻找LCC与PET结合点及LCC改造。图片来源：Nature

二硫化物桥提高LCC热稳定性。图片来源：Nature

研究者最终将高比活性的两个突变加入到新的突变酶中，相比于原始LCC，突变酶的失活温度分别提高了+9.3 °C到+13.4 °C不等。在72 °C条件下，ICCG和WCCG两种变异酶，在20 h和15 h后对PET降解率可达82%和85%，而原始LCC在2 h后，活性迅速降低，20 h内仅达到53%的降解率。

改进后的突变酶对PET的降解。图片来源：Nature

通过进一步优化工艺，ICCG和WCCG分别可以在9.3 h和10.5 h内实现90%的降解率，从1000公斤PET废料中成功生产出863公斤的对苯二甲酸。提纯后，对苯二甲酸产物可以重新用于PET的合成，且产品参数均满足瓶级PET的要求，用这种PET吹制的瓶子具有与商用PET瓶子近乎一致的机械性能，完美的实现了循环利用。

值得一提的是，Alain Marty教授也是生物技术公司Carbios 的首席科学官，他们正致力于商业化这种新技术。“我非常自豪的是，世界上最受尊敬的科学期刊之——《自然》——认可了Carbios和图卢兹大学TBI实验室科学家们正在开发的PET降解酶”，Alain Marty说，“该工艺将于2021年在我们位于里昂附近的法国化学谷中心的示范工厂进行进一步的测试。”^[5]

图片来源：Carbios公司官网 ^[5]。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles

V. Tournier, C. M. Topham, A. Gilles, B. David, C. Folgoas, E. Moya-Leclair, E. Kamionka, M.-L. Desrousseaux, H. Texier, S. Gavalda, M. Cot, E. Guémard, M. Dalibey, J. Nomme, G. Cioci, S. Barbe, M. Chateau, I. André, S. Duquesne & A. Marty

Nature, 2020, 580, 216-219. DOI: 10.1038/s41586-020-2149-4

参考文献：

[1] Thompson R. C. et al., Lost at Sea: Where Is All the Plastic? Science, 2004, 304, 838. DOI: 10.1126/science.1094559

https://science.sciencemag.org/content/304/5672/838.long

[2] Service R. F. ‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles.

https://www.sciencemag.org/news/2020/04/huge-step-forward-mutant-enzyme-could-vastly-improve-recycling-plastic-bottles

[3] Sulaiman S, Yamato S, Kanaya E, et al., Isolation of a Novel Cutinase Homolog with Polyethylene Terephthalate-Degrading Activity from Leaf-Branch Compost by Using a Metagenomic Approach. Appl. Environ. Microbiol., 2012, 78, 1556-1562. DOI: 10.1128/AEM.06725-11

https://aem.asm.org/content/78/5/1556

[4] Taniguchi I, Yoshida S, Hiraga K, et al. Biodegradation of PET: Current Status and Application Aspects. ACS Catal., 2019, 9, 4089-4105. DOI: 10.1021/acscatal.8b05171

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.8b05171

[5] Carbios公司官网新闻：

https://carbios.fr/en/carbios-announces-the-publication-of-an-article-on-its-enzymatic-recycling-technology-in-the-prestigious-scientific-journal-nature/

（本文由小希供稿）