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登上《Nature》封面!一种酶让塑料分解率10小时内达到90% 而且还很便宜

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 Evelyn Zhang • 2020-04-12 15:29:41 来源:前瞻网 E8346G1

塑料是一项伟大的化学材料发明,但难以分解的特性,又导致全球出现了塑料制品的“消化病”,微塑料废物近年来对环境的污染更是让人触目惊心。

法国研究人员设计了一种酶,可以有效分解最常见的一种塑料形式——聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。这个过程中,可以将90%的相同塑料转化回其原始原料。该反应的最终结果是可以直接重复使用,以制造新塑料瓶的原材料。

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研究人员们表示,正在扩大该技术的规模,并于明年开设示范工厂。如果商用成功的话,它可以帮助社会解决我们面临的最具挑战性的塑料问题之一。

3月8日,相关论文以“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”为题发表在最新一期《Nature》上,以封面文章的形式出现。

塑料1

“这是向前迈出的一大步,”朴茨茅斯大学(University of Portsmouth)负责酶创新中心的约翰·麦基汉(John McGeehan)评价道。《Science》杂志更是以“‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles”进行了相关报道。

塑料分解

年产量7000万吨的PET塑料

聚对苯二甲酸乙二酯(PET)是世界上最常用的塑料之一,每年生产量约达7,000万吨。PET有多种用途,包括具有很高拉伸强度的薄膜(以聚酯薄膜市场销售)。但它最普遍的用途还是塑料饮料瓶——这是环境塑料废物的主要成分。PET最早是在1940年代开发的。到了2016年,科学家们发现了第一个可以分解并利用PET中碳的活生物体,它存在于塑料回收设施附近的沉积物中。

尽管像这样的微生物可以解决塑料废物的问题,但由于PET的碳主链最终被完全分解,它们无法使塑料更具可持续性。这意味着必须不断提供新材料来替换损坏的PET容器,当前这些容器主要是来自石化产品材料。

PET是由氧和碳原子连接的碳环的长集合。为了以允许回收的方式将其分解,这些碳-氧键没有被破坏,释放了大量的环,然后可以将其重新连接。当前正在消化PET的微生物也会破坏该环,使其不适合回收。以往,回收公司通常最终会混合使用多种不同颜色的塑料。然后,他们使用高温将其融化,生产出灰色或黑色的塑料原料,因此很少有公司希望使用它们来包装产品。取而代之的是,这种材料通常会变成地毯或其他低级塑料纤维,最终最终被填埋或焚化。

但是,科学家已经发现了许多可以破坏PET连接的酶。这些都具有破坏叶子表面蜡状涂层的作用,称为“角质”(使这些酶成为角质酶)。这些为新工作提供了起始材料。首先,研究人员参加了一组角质酶并测试了他们分解PET的活性。活性最高的是堆肥堆(被称为“叶枝堆肥角质酶(leaf-branch compost cutinase), 2012年大阪大学的研究人员在堆肥中发现了一种这样的酶。它可以切断PET的两个构件:对苯二甲酸酯和乙二醇之间的键。但是LLC演变成能破坏许多植物叶子上的蜡状保护层的特性,它只能缓慢地破坏PET键,然后在65°C(PET开始软化的温度)下使用几天后就破裂。

PET塑料的分解之困

尽管所有版本的PET都具有相同的化学式,但该材料可以固化为两种形式:紧密堆积的结晶形式,和比较松散、无序的形式。大多数由PET制成的材料都具有这两种形式,同时制造商们调整他们的含量比例,从而制成相应材料特性的塑料。

然而,结晶形式的紧密堆积,使得即使最有效的酶也难以消化这些塑料。幸运的是,有一个局部解决方案:加热任何形式的PET,都会导致某些结晶的PET熔化成无序形式,从而使更多的PET得以消化。

不过,这又面临着新的问题,因为酶本身经常融化,并在65°C或150°F以上的温度下失活。此外,这些酶会分解成不同的聚合物,因此不能预期在PET上也能很好地起作用。

为了使该酶在PET上更好地发挥作用,可持续塑料公司Carbios的首席科学官Alain Marty与图卢兹大​​学的酶工程专家Isabelle Andre合作。他们首先分析了角质酶的结构并进行了化学模拟,以弄清PET与酶发生相互作用的“活性位点”。他们发现它适合酶表面上的凹槽,其中包括可以切割PET的位置。

为了改善PET在该凹槽中的贴合度,研究人员创建了一大批突变型的酶,以不同的组合改变了凹槽内部的每个氨基酸。尽管其中大多数几乎消除了酶的活性,但实际上有一些提高了酶的活性,并用于进一步研究。

第二个问题是酶耐受高温的能力问题。结果,研究人员找到线索: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。于是,从最初的酶版本开始,研究人员设计了两个氨基酸,可以在这两个部分之间形成化学键(二硫键)。这一版本的酶,在高温下比原始版本更稳定。

研究人员产生了数百种突变酶,它们改变了结合位点的氨基酸并添加了热稳定酶。然后,他们在细菌中大量产生了突变体,并对其进行了筛选,以找到有效的PET破胶剂。重复此过程几轮后,他们分离出一种突变酶,这种酶的PET键断裂效率比天然LLC高10,000倍。它也可以在不破坏PET熔融温度的72°C的条件下工作。

塑料分解

通过结合所有这些变化,研究人员工程化出四种四重变体(ICCG、ICCM、WCCG和WCCM),它们均具有相似或高于野生型LCC的比活性,熔融温度也相对得以提高。在解聚试验结果发现,ICCG和WCCG的转化率最高,分别在20小时和15小时的时候,达到了82%和85%。

塑料分解

一种高效又便宜的方案

有了这种PET来源,原始酶可以在20小时内消化大约一半。研究团队做出的最佳修改版,只需15小时即可达到85%的分解率。而且进一步优化条件后,他们能够在10小时内达到90%的PET分解率。

尽管仍有一些残留的结晶PET,但他们发现这些酶可以吸收1000公斤的PET废料,然后从中生产863公斤的原料。换句话说,他们重新设计的酶,在消化PET方面比人体的消化酶在分解淀粉方面更有效。

然后,他们使用这种原材料通过标准的工业反应来制造新的PET产品。新产品的耐压能力仅比标准化学来源的PET测得的值低5%。外观上,它是常规生产的PET的10%以内。

与常规用石化原料制作相比,使用再生PET的成本是多少?作者估计,如果这种蛋白质的生产成本约为每公斤25美元,那么该工艺的成本最终将约为用其制成的PET的成本的4%。尽管这可能不像石化产品那么便宜(尤其是现在油价暴跌之后),但它将相对不受日后价格冲击的影响,并且更具可持续性。

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

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

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