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科学家发现突变酶可以显著提高塑料瓶的循环利用

发布日期:2020-08-07 12:53 访问次数: 信息来源:杭州市科学技术局

  塑料回收并非听起来那么美好。只有大约30%的塑料瓶被制成了新塑料,但它们通常强度较低。
  近日,研究人员报告称,他们已经设计出一种酶,可以将90%的塑料转化为原始原料。目前,研究人员正在扩大这项技术的规模,并计划于明年开设示范工厂。该研究近日已发表在Nature上。
  未参与这项研究的英国朴茨茅斯大学酶创新中心的负责人John McGeehan说:“这是非常重要的一步。”
  聚对苯二甲酸乙二酯(PET)是世界上最常用的塑料之一,每年产量约7000万吨。PET瓶已在许多地方回收,但是当前的方法存在问题。 通常,回收公司最终会将多种不同颜色的塑料混在一起。 然后使用高温将其融化,生产出灰色或黑色的塑料原料,所以很少有公司愿意使用它们来包装产品。相反,这种材料通常会变成地毯或其他低级塑料纤维,最终被填埋或焚化。
  McGeehan说:“这根本不是真正的回收利用。”
  为了解决这个问题,科学家已经在微生物中寻找能分解PET和其他塑料的酶。 2012年,大阪大学的研究人员在堆肥中发现了一种这样的酶。它称为叶分支堆肥角质酶(LLC),可以切断PET的两个构件之间的连接,即对苯二甲酸酯和乙二醇之间的化学键。但进化出能分解许多植物叶片上蜡状保护层特性的LLC只能缓慢地破坏PET键,然后在65℃(PET开始软化的温度,在这种温度下,酶更容易进入聚合物中,从而到达它要破坏的键)环境下工作几天后就失去能力了。
  为了重新设计LLC,法国再生塑料酶法工艺开发商Carbios的首席科学官Alain Marty与法国Toulouse大学的酶工程专家Isabelle Andre合作。他们首先分析了该酶的晶体结构,并确定了该酶与PET的对苯二甲酸酯和乙二醇基团之间的化学键结合位点上的关键氨基酸。他们还寻找使这种酶在更高温度下工作的方法。
  研究人员随后产生了数百种突变酶,它们改变了结合位点的氨基酸并添加了热稳定酶。然后,他们在细菌中大量生产突变体,并对它们进行筛选,以找到有效的PET分解者。在重复这一过程几轮后,他们分离出一种突变酶,这种酶破坏PET键的效率比天然LLC高10000倍。即使在72℃的条件下这种酶也不会失去活性,这已经接近PET的熔化温度。
  在被设计用于测试酶的小型反应器中,研究团队发现,该酶可以在10小时内将200克PET分解90%。 研究人员随后使用对苯二甲酸酯和乙二醇构成单元(由该酶分解塑料产生)来生成新的PET,并利用新的PET生产出与传统塑料一样坚固的塑料瓶。
  McGeehan说:“这非常令人兴奋。它表明这确实可行。”
  但是,该方案在经济上是否可行尚不清楚。McGeehan指出,这种酶的一个主要优势是它可以轻松地由含有PET以外的其他塑料混合物(甚至是不同颜色的PET瓶)产生纯PET构件。这是因为这种经过工程改造的酶只会破坏连接两个PET构件的化学键,使它们恢复原始形式,而不受混合物中的染料和其他塑料影响。他说,所以公司和消费者们可能愿意为像新塑料一样耐用且美观的回收塑料支付稍微高点的价格。
  Marty说, Carbios公司正在建设一座预计每年可回收数百吨PET的示范工厂。这种酶不能回收其他主要类型的塑料,例如聚乙烯和聚苯乙烯,因为它们具有更难被破坏的化学键。但是,如果成功的话,它可以帮助我们解决人类社会面临的最具挑战性的塑料问题之一。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4


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