Nature封面：這種新的酶，10小時就能“吃掉”塑料瓶，分解率高達90%，還很便宜
十三 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
全球每年生產3.59億噸塑料，其中1.5-2億噸就堆積在垃圾場，或暴露在自然界中。
而聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料最為豐富，全球每年產量近7000萬噸——它就是我們每天都可能接觸到的塑料瓶。
塑料瓶的回收再利用，對環境保護起到至關重要的作用。
這就是Nature最新封面文章所關注的問題。
但現在的回收技術，要么會破壞PET的機械性能，要么就是酶水解效率過低。
近日，來自法國圖盧茲大學的團隊就提出了一種新的酶：可以在10小內水解90%的塑料瓶PET。
這比之前所有PET水解酶的效率都要高，更重要的是，水解后產生的單體，和石化材料中的單體具有相同特性。
這就大大推動了塑料瓶的重復再利用。
PET：我要“溶解”了
要想水解PET，就先了解它。
PET可以凝固成2種形態：一種是緊密包裹的結晶形態，另一種是比較松散、無序的形態。
大多數塑料瓶中都存在這2種PET形態，制造商會根據塑料瓶的材料特性，調整它們的比例。
但是結晶形態的PET，它的結構過于穩定，以至于目前最有效的酶也難以完全消化。
可能你會問，高溫不是會讓結晶形態的PET，變得松散、無序？
但是酶存在“高溫不耐癥”啊，溫度一上來，酶就失活了。
那如何翻過這“兩座大山”，讓酶更好的水解PET？
首先是結構方面的問題。
研究人員查閱了角質酶(cutinase，一種α/β水解酶)的結構，并進行了化學模擬，找出了PET與這種酶的相互作用位置：他們發現PET與酶表面的“凹槽”相吻合(包括PET被切割的位置)。
為了改善PET與這個凹槽的契合度，研究人員創造了一大批酶的突變版本，通過不同的組合，改變了凹槽內側的每一個氨基酸。
接下來，就是酶不耐高溫的問題。
對相關的酶做了研究之后，似乎有了一種線索：許多酶是通過與一種金屬離子相互作用來穩定的，這種金屬離子將酶的兩個部分固定在一起。
因此，從這種酶的原始版本開始，研究人員在兩種氨基酸中進行工程設計，可以在這兩部分之間形成化學鍵。這種版本的酶，在高溫下就會更加穩定。
最后，研究人員通過一系列的改良，創造出了2個版本的酶，并在切碎的塑料瓶上進行實驗。
不僅水解效率高，還很便宜
如此改良后的水解酶，效率是極高的。
前人提出的水解酶，20小時內能消化一半的PET。而在這項工作中，只需要15個小時，消化率就能達到85%。
不僅如此，通過優化條件，他們能夠在10小時內將PET分解率達到90%。
雖然還殘留一些結晶形態的PET，但這種效率已然是很高了：可以從1000公斤的PET廢料中提取出863公斤的原料。
換句話說，重新設計的這種酶的效率，比我們身體里分解淀粉酶的效率還要高。
而后，研究人員還利用這些原料，以工業標準制造了新的PET產品。
這些新產品的耐壓能力，僅比用標準化學原料生產的PET值低5%；外觀方面也只差了10%，符合PET產品生產標準。
當然，成本也是一個重要的考量因素。
與石化原料相比，使用再生PET的成本是多少呢?
研究人員估計，如果制造這種蛋白質的成本是每公斤25美元，那么這個過程的成本將是用這種蛋白質制造PET成本的4%。
盡管這可能不像石化產品那么便宜，但相對來說，它將不受未來價格沖擊的影響，而且更具有可持續性。
研究所介紹
這項研究的通訊作者分別是Isabelle André、S. Duquesne和A. Marty，均來自法國圖盧茲生物技術研究院。
圖盧茲生物技術研究所(TBI)，是一個生物與化學混合研究單位，隸屬于法國國家科研院、法國國家科學研究中心和圖盧茲國家科學研究院。
研究工作應用于衛生、生物技術、水和環境、食品加工和農業商業以及化學等領域。
TBI的目標是 “從基因到過程的聯合能力”，同時將科學的卓越性與經濟、社會的相關性結合起來。
One More Thing
最近，塑料污染越發嚴重：每年有10萬只海洋哺乳動物、海龜和100萬只海鳥死于海洋塑料污染。
甚至還有數據顯示，超過90%的海龜食用過塑料；甚至冰川現在也被微塑料污染了。
雖然人類處于生態鏈的頂端，但地球是我們共同的家園，若是依舊這樣污染環境、消耗資源，最終遭反噬的也必將是人類。
保護環境，人人有責。
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Nature論文：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4
相關報道：
https://arstechnica.com/science/2020/04/researchers-engineer-enzyme-to-break-down-plastic-bottles/
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