?科普| 酶工程技術(shù)用于降解與回收塑料

發(fā)布時(shí)間：2020年04月20日 來(lái)源：中國(guó)化學(xué)會(huì)

垃圾全球目前每年生產(chǎn)約3.59億噸塑料，其中有1.52億至2億噸被堆積在垃圾填埋場(chǎng)或自然環(huán)境中。塑料不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)對(duì)環(huán)境、海洋造成一定的影響。在這些垃圾中，有近7000萬(wàn)噸的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET，最豐富的聚酯塑料，可用于紡織品和包裝）。科學(xué)家們一直在研究有效的方法回收廢棄的塑料以解決塑料垃圾的污染問(wèn)題，PET的主要回收手段是熱機(jī)械方法，但是這種方法容易導(dǎo)致塑料機(jī)械性能的損失。因此，工業(yè)上優(yōu)選從頭合成PET而不是再回收利用，最終導(dǎo)致PET廢物的持續(xù)積累。此外，PET具有高比例的芳族對(duì)苯二甲酸酯單元（會(huì)降低鏈遷移率），這種聚酯很難水解。已經(jīng)報(bào)道的為數(shù)不多的幾種PET水解酶的生產(chǎn)率也十分有限。因此，塑料垃圾的降解與回收利用技術(shù)的研發(fā)是亟待解決的問(wèn)題。

 

 

圖：You eat what they eat. (圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò))

 

<什么是塑料垃圾>

塑料是以單體為原料，通過(guò)加聚或縮聚反應(yīng)聚合而成的高分子化合物。因塑料用做包裝材料多為白色，所以因?yàn)樗芰隙a(chǎn)生的垃圾叫白色污染或者塑料垃圾。

塑料垃圾的危害：

塑料不易降解，埋在地下幾千年甚至幾萬(wàn)年也不會(huì)腐爛

回收過(guò)程因?yàn)榉诸惱щy不經(jīng)濟(jì)核算

累積的塑料垃圾影響環(huán)境的美觀

所含成分有潛在危害，燃燒塑料垃圾又會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)。例如甲苯、氯化氫、苯等。

動(dòng)物誤食引起悲劇。比如動(dòng)物誤吞游客隨手丟的塑料瓶，會(huì)因?yàn)椴幌纯嗟厮廊?、一些死去的海鳥或者其他海洋生物的腸胃中會(huì)有各種無(wú)法被消化的塑料。

 

<什么是酶工程技術(shù)>

是指工業(yè)上有目的的設(shè)置一定的反應(yīng)器和反應(yīng)條件，利用酶的催化性質(zhì)的一門應(yīng)用技術(shù)，在一定條件下催化化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)人類需要的產(chǎn)品或服務(wù)于其它目的的蛋白質(zhì)工程學(xué)，它包括：酶制劑的制備，酶的固定化，酶的修飾與改造及酶反應(yīng)器等方面內(nèi)容。

 

<酶工程技術(shù)有望解決白色污染難題>

塑料垃圾已經(jīng)成為了一個(gè)重大的環(huán)境問(wèn)題，每年約2億噸的塑料垃圾堆積在垃圾填埋場(chǎng)或自然環(huán)境中。導(dǎo)致該問(wèn)題的一個(gè)重要原因是PET，它廣泛用于制造塑料但是不容易回收利用。據(jù)美國(guó)的PET協(xié)會(huì)報(bào)道，全球PET回收率維持在大約31%的平均水平。

2016年，來(lái)自日本京都工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)研究所的科學(xué)家Kenji Miyamoto和其同事們?cè)凇禨cience》上首次報(bào)道了可“吞噬”PET的細(xì)菌，他們稱之為Ideonella sakaiensis。這種細(xì)菌以PET為主要碳源和能量源，在30攝氏度左右即可發(fā)揮作用降解塑料垃圾。降解機(jī)制為：I. sakaiensis細(xì)菌使用一種酶（PETase）先將PET降解為MHET，隨后另一種酶（MHETase）將其降解為對(duì)苯二甲酸與乙二醇。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于塑料的回收利用、環(huán)保等方面的意義非常重大。

 

圖. 生長(zhǎng)在PET表面的Ideonella sakaiensis細(xì)菌

 

 

圖. Ideonella sakaiensis細(xì)菌對(duì)PET的降解過(guò)程

 

2020年4月9日，來(lái)自法國(guó)圖盧茲大學(xué)的阿蘭·馬蒂（Alain Marty）和他的同事們?cè)凇禢ature》發(fā)表題為“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”的論文。據(jù)報(bào)道，他們已經(jīng)利用計(jì)算機(jī)輔助酶工程技術(shù)設(shè)計(jì)出一種酶，該酶可以在中試規(guī)模下有效地將PET分解為其單體成分。10小時(shí)后，團(tuán)隊(duì)的PET水解酶可以使PET解聚至少90％。這種高效的酶性能優(yōu)于迄今為止報(bào)道的所有PET水解酶（包括2016年《Science》報(bào)道的來(lái)自Ideaella sakaiensis菌株的201-F6的酶以及相關(guān)的改良變體，這些變體引起了近期的關(guān)注。）更重要的是，所得的純化單體具有與石化原料新鮮產(chǎn)生的單體相同的性質(zhì)，因此可以重復(fù)用于制造塑料瓶，從而更接近基于PET的循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念。該工作也被選為《Nature》該期的封面論文。

 

 

 

圖1. 在PET解聚試驗(yàn)中，LCC優(yōu)于所有其他評(píng)估的PET水解酶

 

a) 不同條件下對(duì)無(wú)定形Gf-PET的比水解活性的比較

b) 如a)中所述，通過(guò)LCC進(jìn)行Pf-PET解聚的詳細(xì)水解動(dòng)力學(xué)

 

圖2. 通過(guò)與2-HE(MHET)3底物接觸的殘基飽和，提高誘變后LCC的PET解聚比活性

 

a) 對(duì)接在野生型LCC（灰色色帶）中的2-HE(MHET)3（彩色棒模型）的結(jié)構(gòu)模型

b) 與野生型LCC在65℃下相比，F(xiàn)243I和F243W變體對(duì)Pf-PET解聚的比活性提高的百分比

 

圖3. 通過(guò)添加二硫鍵改善LCC的熱穩(wěn)定性

 

a) 在確定的PET水解酶晶體結(jié)構(gòu)中與二價(jià)金屬離子配位的推定位點(diǎn)的位置。在野生型LCC（色帶）上，催化殘基（S165，D210和H242）和C端二硫鍵（C275-C292）顯示為藍(lán)色棒。二價(jià)金屬離子顯示為綠色球體

b) 隨著CaCl₂濃度的增加，通過(guò)DSF評(píng)估野生型LCC和238C / S283C變體的解鏈溫度

 

圖4. LCC變體在消耗后的PET廢料的酶解聚中的改進(jìn)性能研究

 

a) 對(duì)于WCCG，ICCG，WCCM和ICCM變體以及野生型LCC在1 mg_enzymeg_PET^-1下PcW-PET解聚動(dòng)力學(xué)的比較

b) 對(duì)于WCCG和ICCG變體，在3 mg_enzymeg_PET^-1下PcW-PET解聚動(dòng)力學(xué)的比較

 

<結(jié)論>

PET降解酶的發(fā)現(xiàn)給塑料垃圾的降解與回收利用打開了一扇門，從最初日本的科學(xué)家在垃圾山發(fā)現(xiàn)奇異的嗜PET細(xì)菌，到分離出相應(yīng)的降解酶，再到來(lái)自法國(guó)的科學(xué)家們利用計(jì)算機(jī)輔助酶工程技術(shù)將酶的性能提升，無(wú)不體現(xiàn)了自然的神奇與智慧的偉大。使用計(jì)算機(jī)輔助酶工程技術(shù)，可以在不到10小時(shí)的時(shí)間內(nèi)將酶催化的PET解聚的轉(zhuǎn)化率提高到90％以上。法國(guó)作者使用所得的精制對(duì)苯二甲酸單體合成PET，最終將其吹塑成瓶，從而實(shí)現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)可回收。全球目前迫切需要解決塑料的處理問(wèn)題，倡導(dǎo)可持續(xù)性發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念，雖然距離真正普遍的實(shí)用化酶工程技術(shù)降解與回收塑料仍然有漫長(zhǎng)的道路要走，但是最新進(jìn)展所述的PET廢棄物的酶處理可能有助于實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)。

 

參考文獻(xiàn)：

1. An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles， Nature, 2020.

鏈接：https://www.nature.com/nature/subscribe

2. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 2016.

 

（來(lái)源：化學(xué)通訊微信公眾號(hào)，甄文瑤/撰稿）