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            科學家發現突變酶可以顯著提高塑料瓶的循環利用

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            2020-09-17 來源:K科技部網站

               塑料回收并非聽起來那么美好。只有大約30%的塑料瓶被制成了新塑料,但它們通常強度較低。
            近日,研究人員報告稱,他們已經設計出一種酶,可以將90%的塑料轉化為原始原料。目前,研究人員正在擴大這項技術的規模,并計劃于明年開設示范工廠。該研究近日已發表在Nature上。
            未參與這項研究的英國樸茨茅斯大學酶創新中心的負責人John McGeehan說:“這是非常重要的一步。”
            聚對苯二甲酸乙二酯(PET)是世界上最常用的塑料之一,每年產量約7000萬噸。PET瓶已在許多地方回收,但是當前的方法存在問題。 通常,回收公司最終會將多種不同顏色的塑料混在一起。 然后使用高溫將其融化,生產出灰色或黑色的塑料原料,所以很少有公司愿意使用它們來包裝產品。相反,這種材料通常會變成地毯或其他低級塑料纖維,最終被填埋或焚化。
            McGeehan說:“這根本不是真正的回收利用。”
            為了解決這個問題,科學家已經在微生物中尋找能分解PET和其他塑料的酶。 2012年,大阪大學的研究人員在堆肥中發現了一種這樣的酶。它稱為葉分支堆肥角質酶(LLC),可以切斷PET的兩個構件之間的連接,即對苯二甲酸酯和乙二醇之間的化學鍵。但進化出能分解許多植物葉片上蠟狀保護層特性的LLC只能緩慢地破壞PET鍵,然后在65℃(PET開始軟化的溫度,在這種溫度下,酶更容易進入聚合物中,從而到達它要破壞的鍵)環境下工作幾天后就失去能力了。
            為了重新設計LLC,法國再生塑料酶法工藝開發商Carbios的首席科學官Alain Marty與法國Toulouse大學的酶工程專家Isabelle Andre合作。他們首先分析了該酶的晶體結構,并確定了該酶與PET的對苯二甲酸酯和乙二醇基團之間的化學鍵結合位點上的關鍵氨基酸。他們還尋找使這種酶在更高溫度下工作的方法。
            研究人員隨后產生了數百種突變酶,它們改變了結合位點的氨基酸并添加了熱穩定酶。然后,他們在細菌中大量生產突變體,并對它們進行篩選,以找到有效的PET分解者。在重復這一過程幾輪后,他們分離出一種突變酶,這種酶破壞PET鍵的效率比天然LLC高10000倍。即使在72℃的條件下這種酶也不會失去活性,這已經接近PET的熔化溫度。
            在被設計用于測試酶的小型反應器中,研究團隊發現,該酶可以在10小時內將200克PET分解90%。 研究人員隨后使用對苯二甲酸酯和乙二醇構成單元(由該酶分解塑料產生)來生成新的PET,并利用新的PET生產出與傳統塑料一樣堅固的塑料瓶。
            McGeehan說:“這非常令人興奮。它表明這確實可行。”
            但是,該方案在經濟上是否可行尚不清楚。McGeehan指出,這種酶的一個主要優勢是它可以輕松地由含有PET以外的其他塑料混合物(甚至是不同顏色的PET瓶)產生純PET構件。這是因為這種經過工程改造的酶只會破壞連接兩個PET構件的化學鍵,使它們恢復原始形式,而不受混合物中的染料和其他塑料影響。他說,所以公司和消費者們可能愿意為像新塑料一樣耐用且美觀的回收塑料支付稍微高點的價格。
            Marty說, Carbios公司正在建設一座預計每年可回收數百噸PET的示范工廠。這種酶不能回收其他主要類型的塑料,例如聚乙烯和聚苯乙烯,因為它們具有更難被破壞的化學鍵。但是,如果成功的話,它可以幫助我們解決人類社會面臨的最具挑戰性的塑料問題之一。
            論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4

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