过去几十年来，廉价、耐用且用途广泛的塑料产量呈爆炸式增长，渗透到我们生活的方方面面；然而，这种曾经备受青睐的聚合物却有着阴暗的一面。塑料可能需要数百年才能降解，且产量已达到天文数字（全球每年超过 3.5 亿吨），塑料污染已成为当今世界最紧迫的环境问题之一。
每年有惊人的 1.5 亿吨塑料 进入垃圾填埋场或被排放到环境中，其中超过 800 万吨通过河流进入世界海洋。这些塑料大部分无法降解，只会分解成微小颗粒。这些已被充分记录的微塑料存在于海水中、海洋动物体内，甚至深入人类的胃肠系统。塑料污染是当今人类面临的最严峻的环境问题之一，研究人员一直在努力寻找解决这一棘手塑料问题的答案。
解聚：破解聚合物回收难题
塑料由聚合物组成，即由重复的单体模块构成的长链。大多数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）在高温下会变软并可塑形，冷却后变硬。这一特性使其相对容易回收，因为它们可以软化并重塑成新产品，尽管质量下降限制了其效益。热固性塑料（如聚氨酯、环氧树脂和三聚氰胺树脂）加热后会硬化，几乎无法回收。回收热塑性塑料和热固性塑料所面临的挑战意味着，所有塑料最终都将注定造成环境污染。
为了实现真正的回收利用，并随后将其重新用于新产品，废弃塑料需要通过一种称为解聚的过程还原为原始单体。这是实现全球循环材料经济所需的关键技术进步。在生物系统中，完全解聚为单体对于微生物的摄取和生长可能是必要的。
为了实现解聚，科学家们将目光投向自然界，寻找能够分解塑料的微生物酶。2012 年，大阪大学的研究人员在堆肥堆中发现了一种酶，可以分解世界上使用最广泛的塑料之一：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，CAS 登记号 25038-59-9，分子式 (C10H8O4)n）。
这种被称为 叶枝堆肥角质酶 (LLC) 的酶可以断开 PET 单体之间的键，但它无法耐受 PET 65°C 的软化温度，在此温度下工作几天后就会变性，限制了其工业实用性。由于解聚只能在熔融塑料中进行，因此酶必须在高温下保持稳定
来自一种鲜为人知的土壤细菌的双效 PET 解聚
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，预计到 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) 制造而成。PET 是一种多功能聚合物，根据其晶体结构和粒径，可以制成透明、不透明或白色的产品（图 1）。它被广泛用于生产服装纤维和容器（包括水瓶），非取向 PET 可通过热成型（或模塑）来制造其他包装产品，例如泡罩包装1。寻找一种有效的 PET 解聚方法将是实现真正塑料回收和保护环境进程中的一个重要里程碑。
PET 的生物降解已得到广泛研究，因为酯酶（将酯分解为酸和醇的酶）在自然界中含量丰富2。然而，关于 PET 生物降解或其支持微生物生长的报道并不多见。一些丝状真菌组的生物，如尖孢镰刀菌 (Fusarium oxysporum) 和茄病镰刀菌 (Fusarium solani)，已在含有 PET 纱线的矿物培养基上生长3。
2016 年，吉田等人4 报道了土壤细菌菌株 Ideonella sakaiensis 201-F6 的发现和鉴定，该菌株是在日本一家塑料回收设施附近的 PET 污染沉积物中发现的。这种革兰氏阴性、需氧、杆状细菌具有显著的能力，能够利用 PET 作为其生长所需的主要碳源和能源。
I.sakaiensis 采用双酶系统将 PET 解聚为其构建模块 TPA 和 EG，这些模块随后被分解为碳源和能源。其中一种酶，ISF6_4831 蛋白，负责水解并断开酯键。由于它对芳香族酯的偏好高于脂肪族酯，且对 PET 有特殊的亲和力，因此被命名为 PET 水解酶 (PETase)。I. sakaiensis 中的 PETase 酶是一种类似角质酶的丝氨酸水解酶，它攻击 PET 聚合物，释放出 对苯二甲酸双(2-羟乙基)酯 (BHET)、对苯二甲酸单(2-羟乙基)酯 (MHET) 和 TPA。PETase 进一步将 BHET 切割为 MHET 和 EG。第二种酶，ISF6_0224 蛋白，即 MHET 水解酶 (MHETase)，进一步水解可溶性 MHET 以产生 TPA 和 EG（图 2）。这两种酶很可能协同作用，将 PET 酶促转化为两种对环境无害的单体 TPA 和 EG4，从而使 PET 的完全回收成为可能。
PETase mutant’s supersize PET degradation capability
对 PETase 酶的序列和结构研究表明，它与角质酶（cutinase）具有相似性，许多细菌通过进化出角质酶来分解角质，这是一种天然的蜡质聚合物，构成了许多植物保护性角质层的一部分。晶体结构分析和生化测试显示，I.sakaiensis 2 中的 PETase 在结合位点具有开放的活性位点结构，并且很可能遵循经典的丝氨酸水解酶催化机制5。
基于 PETase 和同源角质酶活性位点裂隙的结构修饰，目前已生产并测试了多种用于 PET 降解的 PETase 变体，其中包括一种在催化中心远端发生双重突变的突变体。据推测，该区域能够改善重要的底物结合相互作用6。研究发现，这种基于角质酶结构的双突变体相较于野生型 PETase 表现出更强的 PET 降解能力6，目前已申请专利7。
通过突变角质酶中的两个活性位点残基来缩小结合裂隙，研究人员观察到 PET 降解效果有所改善，这表明尽管 PETase 在富含 PET 的环境中进化，但它并非降解结晶 PET 的最优结构。这种突变酶仅需几天时间即可开始分解塑料，这比在海洋中分解所需的数百年时间要快得多。
From double mutant to a double enzyme cocktail
当在反应中加入 MHETase 酶时，该酶混合物分解 PET 的速度是单独使用 PETase 时的两倍。在测试的酶负载范围内观察到的降解趋势显示，随着两种酶浓度的增加，组成单体的水平也在提高。这表明反应受酶的限制，而非受底物的限制。协同作用分析还表明，降解速率随 PETase 负载量的增加而提高，并且即使相对于 PETase 而言 MHETase 的浓度较低，其存在也能改善总降解效果。目前的实验尚未确定 PETase 与 MHETase 的最佳比例。
Creating a super-enzyme triples PET degradation
在进一步探索 PET 降解特性和范围的实验中，研究人员通过将 MHETase 和 PETase 拼接成一条长链，设计出了一种新型超级酶。研究人员利用柔性甘氨酸-丝氨酸接头将 MHETase 的 C 末端与 PETase 的 N 末端共价连接，生成了嵌合蛋白，并对其降解无定形 PET 的能力进行了测定（图 3）。在比较不同酶的降解程度时，嵌合蛋白的表现优于 PETase 和 MHETase 单独使用的情况，也优于未连接的酶混合物。
有趣的是，这种超级酶不仅能解聚 PET，还能作用于 PEF（聚乙烯呋喃二甲酸酯），这是一种用于啤酒瓶的糖基生物塑料。
在自然界中，一些天然聚合物（如纤维素和几丁质）的酶促解构是通过微生物分泌的协同作用酶混合物来实现的8。这些天然微生物系统经过长期进化，能够以最优方式降解此类聚合物。看来一些土壤细菌（如 I. sakaiensis）也以类似的方式进化，利用双酶系统来处理聚酯底物4,9。与可能耗时数百年的自然降解过程不同，这种超级酶只需几天时间就能将 PET 转化回其单体，尽管目前其速度尚不足以实现商业化应用。
Endless recycling with plastic degradation
通过将 PET 转化回其原始的单体构件，这种超级酶将使塑料能够被无限制造和重复利用，从而减少对化石资源的依赖。而突破远不止于此……
2020 年，一项重大进展是科学家们发现另一种酶可以在短短 10 小时内降解 PET10。该研究筛选了多种细菌和酶作为潜在候选者，包括于 2012 年首次发现的叶枝堆肥角质酶（LCC）。随后，通过改变结合位点的氨基酸并提高热稳定性，研究人员制备了数百种突变 PET 水解酶。接着，通过筛选细菌突变体以确定高效的 PET 分解者。经过多轮筛选，研究人员分离出一种突变酶，其降解 PET 的效率比天然 LCC 高出 10,000 倍。它在 72°C（接近 PET 的熔点）下依然保持稳定。这一发现为实现 PET 的无限循环利用做出了重大贡献，目前已进入工业试点阶段10。
这些微生物及其酶所能提供的可能性，我们目前所见的不过是冰山一角。大多数塑料源自化石燃料，其产生是有限的，但在我们的环境中却无处不在。除非我们能找到建立循环经济的方法，否则塑料污染将持续成为一个日益严重的问题。在短短几十年内，如果我们不能找到回收现有废弃物的方法，我们将无法生产我们所依赖的塑料制品。传统的回收方式既不有效也不可持续，除非我们能在工业规模上将塑料还原为单体成分，否则我们无法解决这个问题。值得庆幸的是，在自然界的帮助、巧妙的进化以及科学创造力的推动下，解决这一问题仍有希望。
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REFERENCES
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