活性超强的突变酶问世：10小时分解90％的PET塑料
最后更新：2020-05-20 12:04:15 手机定位技术交流文章
塑料几乎是现代人类生活中不可或缺的材料，但广泛应用后产生的大量垃圾已成为自然界的顽疾。
根据联合国环境规划署的统计，到2018年，世界每年产生3亿多吨塑料废物，其中800多万吨将进入海洋。据估计，自20世纪50年代以来，全世界已经生产了80多亿吨塑料，其中约60%最终将进入生态环境或填埋场。许多塑料废料需要几十年甚至几百年才能自然分解。
现在，情况正在好转。
法国“绿色化学”公司Carbios和图卢兹大学的科学家设计了一种改进的聚酯水解酶，它不仅能快速将聚酯塑料废料转化为原材料，还能用来制造新的食品级塑料瓶。这一结果最近登上了《自然》杂志的封面，《科学》杂志也对此进行了报道，称其为“向前迈出了一大步”
Carbios副总裁马丁·斯蒂芬(Martin Stephan)在回复DeepTech的电子邮件时表示，该团队计划在2022023年将该技术授权给一些聚酯制造商，大规模商业应用可能会在2022025年间正式推出。
照片|在马尔代夫的蒂拉福什岛上，人们丢弃的塑料瓶堆积如山，形成了一个“垃圾岛”(来源:东方集成电路)
塑料回收问题
废旧塑料的回收不是收集的问题，而是后续处理的问题。
以聚对苯二甲酸乙二醇酯为例。它是目前世界上最常用的塑料之一，年产量约7000万吨。广泛应用于饮料瓶、零售包装、聚酯纤维、电子产品和设备等领域。然而，只有大约30%的塑料被回收，并且通常通过热降解技术成为强度和机械性能损失降低的二次塑料。这些塑料将被制成塑料毡或其他低级塑料纤维，最终被掩埋或焚烧，而不是真正实现回收。
此外，考虑到成本回收和降解技术的复杂性，更多塑料制造商首选的方法是重新合成聚酯塑料，这导致每年不断积累新的聚酯废料。
聚酯具有高比例的芳族对苯二甲酸酯单元(这会降低链的流动性)，并且是一种极难水解的聚酯。总之，这种塑料具有良好的稳定性，具有重量轻、耐冲击、耐疲劳、耐蠕变、耐酸碱、耐水、耐油等一系列优点。它是化学惰性和超强的。然而，如果它变成了垃圾，很难分解和处理，它的优点在几秒钟内就变成了缺点。
对于这种垃圾，研究人员发现的一种新的聚酯水解酶显示出惊人的效果。该酶最终在10小时内将至少90%的聚对苯二甲酸酯解聚成单体，产率为16.7克对苯二甲酸酯/升/小时(200克/千克聚对苯二甲酸酯悬浮液和3毫克/克聚对苯二甲酸酯的酶浓度)。这种高效优化的酶性能优于迄今已知的所有聚酯水解酶。
同时，实验证明，利用酶解聚对苯二甲酸乙二醇酯的废弃物可以再生产生物回收聚酯，具有与石化聚酯相同的特性，有望真正实现聚酯循环经济的理念。
照片|压缩回收站中包装的塑料瓶(来源:ISTOCKPHOTO)
寻找最强的突变酶
这里有一个技术要点，即玻璃化转变温度是材料的一个重要特征参数，并且材料的许多特征在玻璃化转变温度附近急剧变化。
然而，任何实际的酶法聚酯回收应用都要求蛋白质在聚酯的玻璃化转变温度附近(即70℃)具有动态稳定性。首先，研究人员使用市售的无定形聚酯(由供应商Goodfellow提供)来比较几种已知在最佳条件下水解聚酯的酶的活性。这些酶包括热双歧杆菌水合酶(bta1和BTA2)、茄镰孢菌角质酶(fsc)、酒花木霉角质酶(is-petasee)、叶枝堆肥角质酶(LCC)等。
图|聚酯解聚实验中各种水解酶性质的比较(来源:自然)
相比之下，LCC在65℃时具有最快的初始解聚速率，最高效率是其他测试酶的33倍，并且具有最高的热稳定性。LCC是一种已知能最大化聚酯链流动性和解聚效果的酶。
尽管如此，在65℃下反应3天后，LCC反应将停止，转化率只能达到31%。然而，通过向停止的反应中加入LCC，可以恢复初始动力学。因此，为了提高解聚产率，研究者试图通过酶工程设计进一步提高LCC的活性和热稳定性，寻找分解活性和温度之间的最佳拟合点。
提高活性的关键是找出LCC氨基酸残基中特定饱和突变的活性位点。研究人员最终选择了11个位点进行定向突变，产生了209个变异。经过比较后，研究人员最终将重点放在F243位置的变体I和W上进行进一步分析，因为它们显示出较高的活性，并且还锁定了变体T96M、Y127G、N246D和N246M，它们显示出较高的熔化温度。
图|在诱变后提高低分子量纤维素的聚对苯二甲酸乙二醇酯解聚比活性(来源:自然)
在此基础上，研究人员在聚酯水解酶中寻找二价金属结合位点，以提高酶的热稳定性。为了降低反应成本和广泛的下游纯化要求，研究人员倾向于避免使用盐和添加剂，而是采用二硫键替代二价金属结合位点的替代策略，产生D238C/S283C变体。
图|通过添加二硫键提高液晶显示器的热稳定性(来源:自然)
最后，是进行突变组合。研究人员添加了两个导致新的热稳定变体最高比活性的突变，然后添加T96M、Y127G、N246D和N246M突变进行测试。在分析比较活性和熔化温度后，四个变体具有突出的性能:F243I/D238C/S283C/Y127G(ICCG)、F243I/D238C/S283C/N246M(ICCM)、F243W/D238C/S283C/Y127G(WCCG)和F243W/D238C/S283C/N246M(WCCM)，它们保持与野生LCC相似或更高的比活性。
图|不同LCC变体的性能改进(来源:自然)
在对聚酯废料进行预处理(挤出和微粉化)后，研究人员评估了四种四元变体(ICCG、ICCM、WCCG和WCCM)的性能，最终发现转化率在72℃时达到最大。ICCG变体在9.3小时内达到90%的解聚效果，成为最佳选择。
该实验还附带估计，回收1吨聚酯所需的酶成本约占原聚酯吨价格的4%，而每千克酶蛋白的生产成本约为25美元。
这个新过程可以“一举两得”。首先，回收占聚酯重量主要部分的对苯二甲酸(从1吨聚酯废料中可产生863千克对苯二甲酸)，对苯二甲酸单体可纯化至99.8%以上。此外，在此过程中，每千克回收的聚酯可生产0.65千克硫酸钠，每年每回收100，000吨聚酯可生产约60，000吨硫酸钠，占全球硫酸钠市场的0.28%(硫酸钠用于洗涤剂、造纸和玻璃工业，年产量约为2，150万吨，年增长率为2.9%)。
来自塑料大国的压力
马丁·斯蒂芬告诉DeepTech，改善聚酯的解聚只是一个先决条件，接下来的关键步骤包括单体(精对苯二甲酸和乙二醇)的分离和纯化。4月15日，卡必欧宣布在法国里昂建立一家工厂，与跨国石油和天然气公司TechnipFMC合作，可以验证卡必欧酶回收的可行性。第一批操作预计在2021年开始。
“总体而言，从经济角度来看，这一过程是可行的。虽然在短期内无法与拥有数十年和数亿吨生产经验的石化聚酯相比，但我们有潜力在成本上与石化聚酯相媲美。”
那么，这种解聚酶能降解和回收其他材料的塑料废料吗？如聚乙烯和聚苯乙烯。马丁·斯蒂芬回应道，《自然》杂志文章中描述的酶仅针对聚酯进行了优化，其他聚合物的其他酶仍在不断开发中。此外，碳水化合物将为生产和消费宠物的地方带来技术成就。中国在这两方面都是一个非常重要的国家。斯蒂芬说，他正在加快中国市场的扩张计划。
根据塑料绳的市场报告统计，2018年全球塑料产量将超过3.59亿吨。中国占世界塑料总产量的30%，是真正的主要塑料生产国。近年来，网上购物、快递和外卖的持续快速增长导致了塑料垃圾的快速增加。
照片|许多外卖包装是塑料制品。
据研究统计，2017年仅中国的网上外卖业务就产生了160万吨包装废弃物，包括120万吨塑料盒、17.5万吨一次性筷子、16.4万吨塑料袋和4.4万吨塑料勺子。2018年，这一数字增加到200多万吨，加工压力越来越大。
在中国，新一轮的“塑料限制”正在被紧急推出。2020年1月19日，国家发展改革委和生态环境部联合发布了《关于进一步加强塑料污染控制的意见》，明确了禁令的方向和工作目标。2020年4月10日，国家发展和改革委员会(NDRC)起草了《禁止、限制生产、销售和使用塑料制品目录》(征求意见稿)，以促进完善各领域禁止生产、销售和使用塑料制品的政策限制和实施标准，涵盖购物袋、农用塑料薄膜、医疗产品、一次性餐具、酒店用品、快递包装等领域。
这种新的解聚酶有望为中国大量的塑料废弃物带来技术解决方案。
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