《自然》：最短一天，塑料彻底降解！塑料污染难题迎重大突破

▎药明康德内容团队编辑

▲视频展示了借助最新的酶，塑料在48小时内发生的变化（视频来源：THE UNIVERSITY OF TEXAS AT AUSTIN / COCKRELL SCHOOL OF ENGINEERING）
每一年，全球生产的塑料达到惊人的3亿吨，但当它们结束使命，如何处理这些稳定的聚合物成为一道难题。在全球各地，数十亿吨塑料垃圾埋藏在垃圾填埋场里，污染着当地土壤与水源，还能以微塑料的形式出现在人体的血液、粪便甚至是胎盘中……
如何缓解日益严峻的塑料危机，成为当下极其紧迫的挑战。对此，科学家也在寻找创新性的对策。去年，一篇《自然》论文就带来了重要突破：加州大学伯克利分校的研究团队发明了一种可降解塑料：在40℃的堆肥条件下，塑料仅需两天就能得到降解。
一年之后，另一篇《自然》论文从不同的角度提出了解决方案。得克萨斯大学奥斯汀分校的Hal Alper教授团队借助机器学习改造了一种酶，可以将以世纪为单位的塑料降解时间缩短到数小时至几天。这个事关人类未来的关键问题，迎来了破解的希望。

全球范围内，只有不到10%的塑料得到循环利用。在过去的十余年间，对于降解塑料的酶，相关研究取得了大量进展。但一个悬而未决的问题是，如何制造在低温下能有效运作的酶，从而实现低成本的大规模工业应用。
这项研究试图降解的是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），在我们日常使用的塑料包装物中，绝大多数都含有这种聚合物。PET占到了全球固体垃圾的12%，如果能通过酶快速将其降解，随后再聚合或转化成其他产品，将有望实现循环碳经济，大幅降低环境污染。
在自然界，一种名为PETase的酶可以降解PET，但也存在明显的缺陷：只能在特定的酸碱度和温度范围内起效，并且反应速度有限，在降解之前还需要对塑料进行预处理。
在这项研究中，Alper教授团队使用机器学习模型对PETase进行改造。机器学习模型可以预测哪些突变可以让PETase在低温下快速降解人们丢弃的塑料产品，在模型的指导之下，研究团队最终改造出全新的酶：FAST-PETase（功能性、活性、稳定和耐受性PETase）。

▲机器学习工具指导研究团队找到提升酶的效率的方向（图片来源：参考资料[1]）

这种酶可以在低于50℃、一系列不同的酸碱度条件下，将PET解聚、降解成小分子。在一些条件下，这些塑料仅需24小时就能完全降解为单体。
为了检验FAST-PETase降解不同PET塑料制品的有效性，这项研究利用FAST-PETase分别去降解51种未经处理的PET塑料制品，包括各种塑料容器、聚酯纤维和织物等。结果，所有塑料都在一周内彻底降解，最迅速的仅需1~2天。

▲FAST-PETase用于降解多种不同的PET塑料（图片来源：参考资料[1]）
这种酶可以帮助企业在分子水平上循环、再利用塑料，从而减少对环境的不利影响。Alper教授表示：“通过这项最先进的回收技术，各行业可以看到无尽的可能性。”
接下来，研究团队计划扩大FAST-PETase的生产规模，为进一步的工业应用奠定基础。该团队正着眼于几种不同的用途：不仅仅是清理垃圾填埋场中的塑料、让工业生产更加绿色环保，还希望利用这种酶实现环境修复，清理受污染的区域。
因为塑料污染，这颗美丽的蓝色星球正染上令人担忧的白色。现在，这些新兴技术的诞生有望让塑料污染危机迎来转机。我们期待，这颗星球能回到最初、最美的颜色。

参考资料：
[1] Lu, H., Diaz, D.J., Czarnecki, N.J. et al. Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization. Nature 604, 662–667 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04599-z
[2] Plastic-eating enzyme could eliminate billions of tons of landfill waste. Retrieved Apr 27th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/950900
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