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《Nature》重磅:塑料酶降解再获突破,仅需一周,轻松降解

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2022-04-28

点击:12246

全球每年生产3.59亿吨塑料,其中1.5-2亿吨就堆积在垃圾场,或暴露在自然界中。


而聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料最为丰富,全球每年产量近7000万吨——它就是我们每天都可能接触到的塑料瓶


塑料瓶的回收再利用,对环境保护起到至关重要的作用。


早在2020年,来自法国图卢兹大学的团队提出了一种新的酶:可以在10小内水解90%的塑料瓶PET。相关论文以“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”为题发表在《Nature》上,当日《Science》杂志以“‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles”进行报道。这比之前所有PET水解酶的效率都要高,更重要的是,水解后产生的单体,和石化材料中的单体具有相同特性。这就大大推动了塑料瓶的重复再利用


然而,这些酶中的大多数仅在高反应温度(达到或超过PET大约79 ℃的玻璃化转变温度)和高度加工的底物时才显示出明显的水解活性。大多数其他PET水解酶在中等温度和更中性的 pH 条件下同样表现出较差的活性,极大地限制了PET废物的原位/微生物降解解决方案。这一限制是至关重要的,因为 40% 的塑料废物绕过收集系统并存在于自然环境中,此外,在接近环境温度下转化未经处理的消费后塑料废物将降低净运营成本。尽管此后科学家发现了更具活性的酶,但没有一种酶能够在可接受的加工时间内完全分解常见的PET废物。因此,其商业回收利用受到了限制。



目前这一问题被德克萨斯大学奥斯汀分校Hal Alper教授课题组攻克,研究人员使用机器学习系统来预测PET降解酶(PETases)的突变,这可能会提高酶的热稳定性和活性通过对突变体进行工程改造和测试,该团队确定了一种酶,与野生型PETase相比,该酶包含五个突变,并且相对于野生型和工程化替代品具有更高的PET降解活性。研究人员将该酶命名为功能性、活性、稳定和耐受性PETase,简称FAST-PETase来自51种消费者使用过的PET几乎都可以在1周内被FAST-PETase完全降解。FAST-PETase还可以在50ºC下解聚商业水瓶的无定型部分,和整个热预处理水瓶。最后,研究人员通过使用FAST-PETase并从回收的单体中重新合成PET,展示了一个闭环PET回收过程。总的来说,该结果证明了在工业规模上进行酶塑料回收的可行途径。相关研究成果以题为“Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization”发表在最新一期《Nature》上。Hongyuan Lu博士为本文第一作者。



【Part 1: PET塑料特性】


要想降解解PET,我们首先来认识一下它。PET可以凝固成2种形态:一种是紧密包裹的结晶形态,另一种是比较松散、无序的形态。




大多数塑料瓶中都存在这2种PET形态,制造商会根据塑料瓶的材料特性,调整它们的比例。但是结晶形态的PET,它的结构过于稳定,以至于目前最有效的酶也难以完全消化。


【Part2: 降解策略】

与PET相互作用的位点:2005年,有研究人员报道角质酶(cutinase,一种α/β水解酶)的结构,并进行了化学模拟,找出了PET与这种酶的相互作用位置:他们发现PET与酶表面的“凹槽”相吻合(包括PET被切割的位置)。



现如今,为了改善PET与这个凹槽的契合度,德克萨斯大学奥斯汀分校Hal Alper教授课题组使用了三维(3D)自监督卷积神经网络(CNN)MutCompute 以识别稳定突变。作者使用MutCompute获得了WT PETase和Thermo PETase(晶体结构,PDB5XJH和6IJ6)中每个位置的所有20个规范氨基酸的结构拟合的离散概率分布,通过使用逐步组合策略,总共产生了159个单个或几个预测突变,表现出改进的催化活性和热稳定性。


图 1. 机器学习引导的预测提高了PETase支架的酶性能


【Part3: 降解效果】


FAST-PETase在相对“温和”的条件下可以完全解聚PET(在室温下一周内或在50°C下一天内)无定形PET可以直接解聚,而结晶度超过25%的PET(例如用于制造瓶子的PET)需要热预处理以使塑料变成无定形状态。作者表明,这种酶可以降解51种以前被消费者使用过的未经处理的PET产品的样品,证明它能够应对各种原材料。值得注意的是,由于酶在水溶液中仅在50°C下运行,因此混合物中非PET材料的任何残留物都不会熔化并形成凝胶,这使得解聚的PET溶液比皂化产生的溶液更容易过滤和进一步加工。作者进一步证明FAST-PETase可用于闭环回收,从3克有色PET中生产出约2.8克无色PET。如果可以使用FAST-PETase开发商业流程,那么很大一部分塑料包装废物(例如,荷兰约为10-15%)最终可以在闭环中回收,以制造食品级透明PET、生产新的托盘、浴缸、杯子和泡罩包装。


图2.FAST-PETase对PET水瓶和聚酯产品的解聚以及FAST-PETase在PET酶化学回收中的应用


封面图源自于图虫创意


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