酶以创纪录的时间分解PET塑料

诸平

Dr Christian Sonnendecker and his team discovered an enzyme that breaks down PET plastic at record speed. Credit: Leipzig University / Swen Reichhold

据德国莱比锡大学（Leipzig University）2022年5月18日提供的消息，酶可以创纪录的时间来分解PET塑料（Enzyme breaks down PET plastic in record time）。

塑料瓶，小果篮，包装材料都是由聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate简称PET）塑料制成的，如果不回收就会成为一个问题。莱比锡大学的科学家们现在发现了一种高效的酶——PHL7，可以在创纪录的时间内降解PET。这种酶是研究人员在莱比锡的堆肥堆中发现的，它可以使生物PET回收的速度比之前想象的要快得多。这一发现已经在科学杂志《化学与可持续性》（ChemSusChem）网站发表，而且是《生物催化是可持续工业化学的关键》特刊（Special Issue: Biocatalysis as Key to Sustainable Industrial Chemistry）——Christian Sonnendecker, Juliane Oeser, P. Konstantin Richter, Patrick Hille, Ziyue Zhao, Cornelius Fischer, Holger Lippold, Paula Blázquez-Sánchez, Felipe Engelberger, César A. Ramírez-Sarmiento, Thorsten Oeser, Yuliia Lihanova, Ronny Frank, Heinz-Georg Jahnke, Susan Billig, Bernd Abel, Norbert Sträter, Jörg Matysik, Wolfgang Zimmermann. Low Carbon Footprint Recycling of Post-Consumer PET Plastic with a Metagenomic Polyester Hydrolase. ChemSusChem(Special Issue: Biocatalysis as Key to Sustainable Industrial Chemistry), May 6, 2022,  15(9): e202101062. DOI: 10.1002/cssc.202101062. First published: 15 June 2021. This article also appears in: Biocatalysis as Key to Sustainable Industrial Chemistry. https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.202101062，并被选为封面主题。上述图1是莱比锡大学斯文·雷可德（Swen Reichhold）提供的此论文的第一作者、克里斯蒂安·索南德克博士（Dr Christian Sonnendecker）和他的团队发现了一种酶，可以以创纪录的速度分解PET塑料的照片。

酶在自然界中被利用的一种方式是由细菌分解植物部分。一段时间以来，人们已经知道一些酶，所谓的聚酯裂解水解酶(polyester-cleaving hydrolases)，也可以降解PET。例如，2012年在日本发现的LCC酶被认为是一种特别有效的“塑料食用者（plastic eater）”。由来自莱比锡大学的早期职业研究者克里斯蒂安·索南德克博士领导的研究小组，作为欧盟资助的MIPLACE和ENZYCLE项目的一部分，正在寻找以前未发现的这些生物助手的例子。他们在德国科隆最大的公墓地Südfriedhof找到了他们想要的东西:在一个堆肥堆的样本中，研究人员无意中发现了一种酶的蓝图，这种酶可以在实验室中以创纪录的速度分解PET。

莱比锡大学分析化学研究所（Institute of Analytical Chemistry）的研究人员发现并研究了7种不同的酶。第7个候选者被称为PHL7，在实验室中取得的成绩明显高于平均水平。在实验中，研究人员将PET添加到含有PHL7或LCC的水溶液（ aqueous solution）的容器中，LCC是PET分解的前驱物。然后，他们测量了在给定时间内降解的塑料量，并将数值相互比较。

结果:在16 h内，PHL7会使PET分解90%;与此同时，LCC只能使PET45%的降解。克里斯蒂安·索南德克博士解释说:“所以我们的酶的活性是聚酯裂解水解酶的两倍。”例如，PHL7在不到24 h内就分解了一个超市里用来卖葡萄的那种塑料双轮篮。研究人员发现，这种酶中有一个单一的组成部分负责这种高于平均水平的活性。在先前已知的含有苯丙氨酸残基（phenylalanine residue）的其他聚酯裂解水解酶的地方，PHL7携带亮氨酸。

与传统的回收方法（conventional recycling methods）相比，生物PET回收（Biological PET recycling）有一些优势，传统回收方法主要依靠热过程（thermal processes），即在高温下熔化塑料垃圾。这些过程是高度能源密集型的，塑料的质量随着每一次回收循环而下降。另一方面，酶只需要水环境和65~70 ℃的温度就可以工作。另一个优点是，它们可以将PET分解成其成分对苯二甲酸（terephthalic acid）和乙二醇（ethylene glycol），然后可以重复使用以产生新的PET，从而形成一个封闭式循环。然而，到目前为止，生物PET回收只在法国的一家试点工厂进行了测试。

上述论文的共同通讯作者沃尔夫冈·齐默尔曼教授（Professor Wolfgang Zimmermann）说：“在莱比锡发现的酶可以对建立替代节能塑料回收工艺做出重要贡献，由于全球塑料垃圾对环境造成的巨大负担，在可持续循环经济中找到环保的方法来再利用塑料变得越来越重要。目前在莱比锡开发的生物催化剂已被证明对使用过的PET食品包装的快速分解非常有效，并适用于环境友好的回收过程，即从分解产物中生产出新塑料。”沃尔夫冈·齐默尔曼教授在莱比锡大学建立基于酶的技术的研究活动中发挥了关键作用。

来自莱比锡的研究人员希望，新发现的酶PHL7可以在实践中推进生物回收，并正在为此寻找工业合作伙伴。他们相信，更高的速度将大大降低回收成本。在未来的两到三年中，他们的目标是创造一个原型，使其能够更精确地量化快速生物回收过程的经济效益（economic benefits ）。

分析化学研究所约尔格·马蒂西克教授（Professor Jörg Matysik）团队的科学家也想用核磁共振波谱来阐明酶的结构和功能。他们也在研究一种新的预处理方法来解决生物回收中的一个问题:到目前为止，酶对PET的分解只对所谓的无定形PET起作用，这种PET用于水果包装之类的东西，但对由结晶度更高的PET制成的塑料瓶（plastic bottles）不起作用。

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。

食用塑料的酶可以消除数十亿吨的垃圾（Plastic-eating enzyme could eliminate billions of tons of landfill waste）

Abstract

Tread lightly: A highly efficient polyester hydrolase derived from plant compost metagenomes rapidly degrades amorphous polyethylene terephthalate (PET) at 70 °C. The direct hydrolysis of thermoform PET packaging flakes and the conversion of the recovered terephthalic acid into virgin PET demonstrate the potential of biocatalysis in plastic recycling processes with a low carbon footprint.

Abstract

Earth is flooded with plastics and the need for sustainable recycling strategies for polymers has become increasingly urgent. Enzyme-based hydrolysis of post-consumer plastic is an emerging strategy for closed-loop recycling of polyethylene terephthalate (PET). The polyester hydrolase PHL7, isolated from a compost metagenome, completely hydrolyzes amorphous PET films, releasing 91 mg of terephthalic acid per hour and mg of enzyme. Vertical scanning interferometry shows degradation rates of the PET film of 6.8 μm h⁻¹. Structural analysis indicates the importance of leucine at position 210 for the extraordinarily high PET-hydrolyzing activity of PHL7. Within 24 h, 0.6 mg_enzyme g_PET⁻¹ completely degrades post-consumer thermoform PET packaging in an aqueous buffer at 70 °C without any energy-intensive pretreatments. Terephthalic acid recovered from the enzymatic hydrolysate is then used to synthesize virgin PET, demonstrating the potential of polyester hydrolases as catalysts in sustainable PET recycling processes with a low carbon footprint.