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最短一天,塑料彻底降解!塑料污染难题迎重大突破

编辑 | 药明康德内容团队

 

视频展示了借助最新的酶,塑料在48小时内发生的变化丨视频来源: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丨图片来源: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塑料丨图片来源: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

 

本文经授权转载自微信公众号“学术经纬”。

 



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