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。相關論文以“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”為題發表在《Nature》上，當日《Science》雜志以“‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles”進行報道。

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。

One More Thing

這種酶不能回收其他主要類型的塑料，例如聚乙烯和聚苯乙烯，它們之間的鍵較難斷裂。但是，如果成功的話，它可以幫助社會解決我們面臨的最具挑戰性的塑料問題之一。

Nature論文：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4