吃塑料之酶可消除数十亿吨的填埋塑料垃圾

诸平

Fig. 1 Credit: Unsplash/CC0 Public Domain

Fig. 2 Includes time lapse of plastic degradation over 48-hour period. Credit: The University of Texas at Austin / Cockrell School of Engineering

塑料应用非常广泛，但是回收利用十分有限，所以导致塑料垃圾也是到处可见。对于环境带来的污染是一个不容忽视的严重问题。据美国德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin简称UT Austin）2022年4月27日提供的消息，德克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）的工程师和科学家发明了一种酶变体，可以分解破坏环境的塑料，这些通常需要几个世纪才能降解的塑料，酶作用只需几小时到几天时间即可完成。这种吃塑料之酶可消除数十亿吨的填埋塑料垃圾（Plastic-eating enzyme could eliminate billions of tons of landfill waste）。相关研究结果于2022年4月27日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Hongyuan Lu, Daniel J. Diaz, Natalie J. Czarnecki, Congzhi Zhu, Wantae Kim, Raghav Shroff, Daniel J. Acosta, Bradley R. Alexander, Hannah O. Cole, Yan Zhang, Nathaniel A. Lynd, Andrew D. Ellington, Hal S. Alper. Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization. Nature, 2022, 604: 662–667. Published: 27 April 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04599-z. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04599-z

这一发现，可能有助于解决世界上最紧迫的环境问题（environmental problems）之一:如何处理堆积在垃圾填埋场、污染我们自然土地和水的数十亿吨塑料垃圾。这种酶（enzyme ）有潜力促进大规模回收利用，这将允许主要行业通过在分子水平（ molecular level）上回收和再利用塑料（plastics）来减少对环境的影响（environmental impact）。

UT Austin化学工程学院(McKetta Department of Chemical Engineering)教授哈尔·阿尔珀(Hal Alper)表示:“利用这种前沿的回收工艺，各行各业的可能性是无限的。除了明显的废物管理行业，这也为各行各业的企业提供了在回收产品方面发挥带头作用的机会。通过这些更可持续的酶方法，我们可以开始设想一个真正的循环塑料经济（circular plastics economy）。”

该项目的重点是聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate简称PET)，这是一种广泛存在于大多数消费品包装中的重要聚合物，包括饼干盒、苏打水瓶、水果和沙拉包装以及某些纤维和纺织品。它占全球垃圾总量的12%。

这种酶能够完成一个“循环过程（circular process）”，将塑料解聚分解成更小的部分，然后用化学方法将其重新聚合即再聚合。在某些情况下，这些塑料可以在24小时内完全分解为单体（monomers）。点击图2（Fig. 2）链接可以浏览相关视频。

UT Austin科克雷尔工程学院（Cockrell School of Engineering）和自然科学学院（College of Natural Sciences）的研究人员使用机器学习模型，引起一种允许细菌降解PET塑料的天然酶——PETase产生了新突变（novel mutations）。该模型预测了这些酶中的哪些突变将实现在低温下快速分解消费后废弃塑料的目标。

通过这一过程，研究人员研究了51种不同的消费后塑料容器、5种不同的聚酯纤维和织物以及所有由PET制成的水瓶，证明了这种酶的有效性，他们称之为FAST-PETase(功能性、活性、稳定和耐PETase)。

“这项工作确实展示了将不同学科结合在一起的力量，从合成生物学（synthetic biology）到化学工程再到人工智能（artificial intelligence），”系统与合成生物学中心（Center for Systems and Synthetic Biology）教授安德鲁·艾灵顿(Andrew Ellington)说，他的团队领导了机器学习模型的开发。

回收利用是减少塑料垃圾最明显的方法。但在全球范围内，只有不到10%的塑料被回收。除了把塑料扔进垃圾填埋场外，最常见的处理方法是焚烧，这是昂贵的，能源密集型的，并向空气中排放有毒气体。其他可替代的工业过程包括糖酵解（glycolysis）、热解（pyrolysis）和/或甲醇分解（methanolysis）等能源密集型过程。

生物解决方案能耗更少。在过去的15年里，对塑料回收酶的研究取得了进展。然而，到目前为止，还没有人能够找到在低温下高效运转的酶，使其在大规模工业生产时既轻便又经济。FAST-PETase可以在低于50℃的温度下进行这个过程。

接下来，该团队计划扩大酶的产量，为工业和环境应用做准备。研究人员已经为这项技术提交了专利申请，并正在关注几种不同的用途。清理垃圾填埋场和绿化高垃圾产生行业是最明显的。但另一个潜在的关键用途是环境修复（environmental remediation）。研究小组正在寻找一些方法，让酶进入田地，清理被污染的地方。

哈尔·阿尔珀教授说：“当考虑环境清洁应用时，你需要一种可以在环境温度下工作的酶。这一要求正是我们的技术在未来拥有巨大优势的地方。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

New enzyme discovery is another leap towards beating plastic waste

Abstract

Plastic waste poses an ecological challenge^1,2,3 and enzymatic degradation offers one, potentially green and scalable, route for polyesters waste recycling⁴. Poly(ethylene terephthalate) (PET) accounts for 12% of global solid waste⁵, and a circular carbon economy for PET is theoretically attainable through rapid enzymatic depolymerization followed by repolymerization or conversion/valorization into other products^6,7,8,9,10. Application of PET hydrolases, however, has been hampered by their lack of robustness to pH and temperature ranges, slow reaction rates and inability to directly use untreated postconsumer plastics¹¹. Here, we use a structure-based, machine learning algorithm to engineer a robust and active PET hydrolase. Our mutant and scaffold combination (FAST-PETase: functional, active, stable and tolerant PETase) contains five mutations compared to wild-type PETase (N233K/R224Q/S121E from prediction and D186H/R280A from scaffold) and shows superior PET-hydrolytic activity relative to both wild-type and engineered alternatives¹² between 30 and 50 ℃ and a range of pH levels. We demonstrate that untreated, postconsumer-PET from 51 different thermoformed products can all be almost completely degraded by FAST-PETase in 1 week. FAST-PETase can also depolymerize untreated, amorphous portions of a commercial water bottle and an entire thermally pretreated water bottle at 50 ℃. Finally, we demonstrate a closed-loop PET recycling process by using FAST-PETase and resynthesizing PET from the recovered monomers. Collectively, our results demonstrate a viable route for enzymatic plastic recycling at the industrial scale.