“吃”塑料的超级酶，能解决我们的环境危机吗？

在过去几十年中，廉价、耐用和适应性强的塑料生产呈爆发式增长，塑料已经渗透到我们生活的方方面面，但这种曾经令人向往的聚合物有其有害的一面：塑料的降解可能需要数百年的时间，而且其产量已达到天文数字(全球每年超过3.5亿吨)，塑料污染是当今世界面临的最紧迫的环境问题之一。

令人难以置信的是，全球每年有1.5亿吨塑料被填埋或释放到环境中，超过800万吨塑料通过河流输送到海洋中。其中大部分不会降解，而只是分解成微粒。这些有据可查的微塑料存在于海水中、海洋动物体内，甚至在人类胃肠系统深处。塑料污染是当今人类面临的最严峻的环境问题之一，研究人员一直在忙于寻找这个令人困惑的问题的答案。

解聚：解决聚合物回收难题

塑料由聚合物制成——由重复的单体砌块制成的长链。大多数被广泛使用的塑料要么是热塑性塑料、要么是热固性塑料。热塑性塑料，如丙烯酸、聚酰胺和聚乙烯，在高温下变得柔软、可塑，冷却后变硬。该属性使热塑性塑料相对容易被回收利用，因为它们可以软化并被改造成新产品(尽管质量下降限制了效益)。热固性塑料，如聚氨酯、环氧树脂和三聚氰胺树脂，加热时变硬，几乎不可能被回收利用。回收热塑性和热固性塑料时面临的挑战意味着：所有塑料最终都注定会造成环境污染。

为了实现解聚，科学家们已经放眼大自然，寻找能够分解塑料的微生物酶。2012年，日本大阪大学的研究人员在堆肥中发现了一种酶，这种酶可以分解全球最常用的塑料之一：聚对苯二甲酸乙二酯(PET，CAS登记号25038-59-9，分子式(C10H8O4)n)。

大阪大学研究人员发现的这种酶，被称为叶枝堆肥角质酶(LLC)，能够破坏PET单体之间的键，但对PET的65°C软化温度不耐受，所以在该温度下工作几天后，就会发生变性，从而限制了其工业实用性。由于解聚只能在熔融的塑料中发生，所以酶必须在温度升高时保持稳定。

一种鲜为人知的土壤细菌对PET的双解聚作用

PET是一种热塑性塑料，也是使用最广泛的聚酯之一。全球PET产量从2014年的4200万吨增长到2016年的5000万吨，到2022年将达到8700万吨。

这种合成聚合物由石油衍生的对苯二甲酸(TPA) 和乙二醇(EG)制成。PET是一种多用途的聚合物，可根据晶体结构和粒径(图1)制成透明、不透明或白色的材料。它被广泛用于生产服装纤维和容器，包括水瓶，无取向的PET可以被热成型(或模压)来制造其他包装产品，如泡罩包装1。找到一种有效的解聚PET的方法将是实现真正的塑料回收和环境保护道路上的一个重要里程碑。

图1. PET产品(A)和结构式(B)

PET生物降解已被广泛研究，因为酯酶(将酯分解成酸和酒精的酶)在自然界中是丰富的2。然而，关于PET的生物降解或利用PET支持微生物生长的报告并不常见。一些来自丝状真菌群的生物，如尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)和茄镰刀菌(Fusarium solani)，已经在含有PET纱线3的矿物培养基中生长。

2016年，Yoshida等人4报告了土壤细菌菌株Ideonella sakaiensis 201-F6的发现及其特征，该菌株生长在日本一个塑料回收设施附近受PET污染的沉积物中。这种革兰氏阴性、需氧、杆状的细菌具有非凡的能力，能够利用PET作为其生长所需要的主要碳源和能源。

I.sakaiensis采用双酶系统，将PET分解成其构建砌块TPA和EG，然后进一步分解为碳和能源。两种酶之一的ISF6_4831蛋白质负责水解并断裂酯链。ISF6_4831蛋白质更利于处理芳香酯，而不是脂肪族酯，对处理PET尤其有用，所以它被指定为PET水解酶(PETase)。I. sakaiensis中的 PETase酶是一种角质酶样丝氨酸水解酶，可攻击 PET聚合物，释放对苯二甲酸双羟乙酯(BHET)、mono(2-hydroxyethyl) terephthalate (MHET)和TPA。PET水解酶进一步切开BHET，生成MHET和EG。第二种酶，ISF6_0224蛋白，MHET水解酶(MHETase)，进一步水解可溶性MHET生成TPA和EG(图2)。这两种酶是必须的(可能通过协同作用)，将PET酶转化为其两种对环境无害的单体——TPA和EG4，从而有可能完全回收PET。

图2. PET解聚图：PETase催化PET解聚为BHET、MHET和TPA。MHETase将MHET转变为单体TPA和乙二醇 (EG)

PETase突变体的超强 PET降解能力

PETase的序列和结构研究强调了与角质酶的相似性，角质酶是由许多细菌进化而来分解角质的，是一种天然的蜡状聚合物，在许多植物中构成保护性角质层的一部分。晶体结构分析和生化测试表明，I.sakaiensis 2中的PETase在结合部位具有开放的活性位点结构，并且它可能遵循典型的丝氨酸水解酶催化机制进行工作5。

基于PETase的结构修饰和同源角质酶活性位点的裂解，现在已经生产出PETase变种，并用于测试PET降解，包括一个在催化中心远端的双突变变体。假设这个区域能够修正重要的底物结合相互作用。这种基于角质酶结构的双突变体，被发现比野生型PETase6具有更强的PET降解能力，相关技术已经申请了专利7。

通过角质酶中两个活性位点残基的突变来缩小结合间隙，研究人员观察到PET降解速度得到了提升，这表明PETase虽然在富含PET的环境中进化，但并没有表现出降解结晶PET的最佳结构。这种突变酶只需要几天时间就能开始分解塑料——明显比在海洋中分解塑料要花上几个世纪的时间要快得多。

从双突变体到双酶鸡尾酒

当在反应中加入MHETase时，酶混合物分解PET的速度是PETase本身分解PET速度的两倍。在试验酶载量范围内观察到的降解趋势发现，随着两种酶浓度的增加，组分单体的含量也在增加。这表明反应受酶的限制而不是底物的限制。协同效应分析还表明，降解率随着PETase负载量的增加而增加，并且因为MHETase的存在(即使在相对PETase较低的浓度下)，也能提高总降解率。目前的实验没有得出PETase和MHETase的最佳比例。

制造一种超级酶，使PET降解速度提高三倍

在进一步探索PET降解性质和范围的实验中，研究人员通过将MHETase和PETase拼接成一条长链，设计了一种新的超级酶。利用柔性甘氨酸-丝氨酸连接子制备了MHETase的C末端与PETase的N末端共价连接的嵌合蛋白，用于无定形PET的降解(图3)。在比较不同酶的降解能力时，嵌合蛋白的表现优于PETase和MHETase，未链接的酶混合物也是如此。

图1. 三种嵌合酶的简图，连接 MHETase的C端和 PETas的N端的连接子。

有趣的是，这种超级酶不仅能解聚PET，还能降解聚乙烯呋喃酸酯(PEF)。PEF是一种可用于啤酒瓶的糖基生物塑料。

一些天然聚合物(如纤维素和甲壳素)的酶解，是通过微生物分泌的协同作用酶的混合物在自然界中实现的。随着时间的推移，这些天然微生物系统已经进化到降解这些聚合物的最佳状态。似乎有些土壤细菌(如I. sakaiensis)，也以类似的方式进行，利用具有双酶系统的聚酯底物4，9。与需要几个世纪才能降解的自然降解不同，这种超级酶能在短短几天内将PET转化回其单体，尽管这一过程仍然太慢，无法在商业上可行。

无止境的塑料降解回收

通过把PET转化回原来的单体砌块，这种超级酶可以无休止地制造和重复使用塑料，从而减少对化石资源的依赖。而且，突破还不止于此……

2020年，科学家取得了重大进展，发现了另一种可以在10小时内降解PET的酶10。这项研究筛选了大量的细菌和酶来寻找潜在的候选物质，包括2012年首次发现的叶枝堆肥角质酶(LCC)。通过改变结合位点上的氨基酸，以及提高热稳定性，产生了数百种突变的PET水解酶。然后筛选细菌突变体，以识别有效的PET分解者。在这个方法运行了多轮之后，分离出了一种突变酶，它降解PET的效率是天然LCC的10000倍。在72°C时也很稳定，接近PET的熔化温度。这一发现对实现PET的无限循环具有重要意义，并且已经进入工业试验阶段10。

我们只看到了这些微生物及其酶所能提供的可能性中的冰山一角。大多数塑料来自于化石燃料，它们的生成是有限的，但在我们的环境中却无处不在。除非我们能找到形成循环经济的方法，否则塑料污染将继续成为一个日益严重的问题。在短短几十年里，我们将无法生产我们所依赖的塑料制品，除非我们能找到一种方法来回收已经存在的垃圾。传统的回收方式不是有效的，也是不可持续的，除非我们能在工业规模上将塑料还原为其单体成分，否则我们没有解决这个问题的希望。谢天谢地，在大自然的帮助下，通过一些巧妙的进化和一些科学上的独创，这个问题有希望能得到解决。