意外找到了能更高效分解塑料的酶

他們在日本首次發現了這種微生物。研究人員在一家塑料回收工廠的土壤中找到了隱藏在那裡的微生物，為了適應其棲息地的環境，它們已經逐漸進化出以丟棄的蘇打飲料瓶為食的能力。

這一發現於2016年公布，現在科學家已經掌握了更多的細節。在研究日本小蟲子如何消化塑料的時候，他們意外地創造出了一種超越天然細菌的變異酶，並且隨著進一步的調整，它們或許將成為人類社會那數量恐怖的塑料垃圾品的終結者。

Credit:123RF

「偶然性在基礎科學研究中經常發揮重要作用，我們在這裡的發現也不例外。」英國朴茨茅斯大學的結構生物學家John McGeehan說。「這一意料之外的發現表明，還有進一步改進這些酶的空間，使我們的處理效率能跟上廢棄塑料的高速增長。」

McGeehan的團隊，包括美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)的研究人員，在調查PETase的晶體結構時偶然發現了它們的突變體——正是這種酶使得微生物Ideonella sakaiensis能夠分解PET塑料物質(又名聚乙烯對苯二甲酸酯)。

在20世紀40年代PET獲得專利，雖然這聽起來彷彿就是說恐龍時代的事情，但從進化的角度來看，這麼短暫的時間裡就出現能夠分解PET的細菌，人類簡直是中了頭彩。唯一的問題，雖然I. sakaiensis確實可以能夠吃塑料，但進化時間還是不足，吃得太慢太少。

考慮到地球上塑料污染規模驚人的巨大，數十億噸廢棄物堆放在垃圾填埋場並溢出到我們的海洋，甚至威脅到海洋的生態。

當然不能責怪PETase——PET需要幾個世紀才能自然分解，而該酶能夠使細菌幾天內分解掉這種塑料。

「96小時後，您就可以通過電子顯微鏡清楚地看到PETase降解了PET，」NREL結構生物學家Bryon Donohoe說，「這個測試使用的是海洋和垃圾填埋場里取出垃圾樣品。」

為了檢驗PETase在分子水平上的效率，該團隊使用X射線生成了酶的超高解析度3D模型，給PETase的活性位點留下前所未有的圖像，這種東西是能夠抓住並分解PET的靶標——然後，碰碰運氣看看能否改進這個機制。

「看到這種生物催化劑的內部運作為我們提供了設計更快更高效的酶的藍圖。」McGeehan說。

假設PETase酶必須在PET環境中進化出降解塑料的能力，研究人員則使PETase的活性位點發生突變，以確定它們是否可以將它的結構變得與另一種被稱為角質酶的酶相近。

雖然他們事先沒有預料到，但這一調整最終顯示出酶在分解塑料方面仍可以進一步優化。

「令人驚訝的是，我們發現PETase突變體在降解PET方面勝過野生型PETase，」NREL材料科學家Nic Rorrer說，「我們通過理論工具計算出，PET在PETase的催化部位如何發生結合，有助於闡釋催化性能提高的原因。鑒於這些結果，顯然還可以進一步挖掘出更高的催化潛力。」

儘管迄今為止，突變型PETase在分解塑料方面比自然產生的酶只高出約20％的效率，但該團隊認為重要的是我們現在知道這些酶可以被優化和增強。

這意味著未來的工程設計版本應該能產生更好的催化劑，並且可能能夠分解其他多種類型材質。

例如，經過改造的PETase也能夠分解被稱為PEF(聚呋喃二甲酸乙二醇酯)的PET替代品，而天然PETase無法做到這一點。

這些生物創新手段，可能需要經過漫長時間才能被用作處理我們已經累積了半個多世紀的數十億噸塑料的工具，但現在我們已經找到了確切的方向，我們可以利用科學將大自然提供的線索轉換成強有力的工具，畢竟，如果我們什麼也不做，它們也不會自己消失。

NREL的生物技術專家Gregg Beckham解釋說：「我們所了解的是，PETase尚未達到最優化的形態。」

「現在我們已經證明了這一點，之後就開始應用蛋白質工程和進化的工具來繼續增強它的能力。」

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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