全球每年生产3.59亿吨塑料，其中1.5-2亿吨就堆积在垃圾场，或暴露在自然界中。

而聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料最为丰富，全球每年产量近7000万吨——它就是我们每天都可能接触到的塑料瓶。

塑料瓶的回收再利用，对环境保护起到至关重要的作用。

这就是Nature最新封面文章所关注的问题。

但现在的回收技术，要么会破坏PET的机械性能，要么就是酶水解效率过低。

近日，来自法国图卢兹大学的团队就提出了一种新的酶：可以在10小内水解90%的塑料瓶PET。相关论文以“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”为题发表在《Nature》上，当日《Science》杂志以“‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles”进行报道。

这比之前所有PET水解酶的效率都要高，更重要的是，水解后产生的单体，和石化材料中的单体具有相同特性。

这就大大推动了塑料瓶的重复再利用。

PET：我要“溶解”了

要想水解PET，就先了解它。

PET可以凝固成2种形态：一种是紧密包裹的结晶形态，另一种是比较松散、无序的形态。

大多数塑料瓶中都存在这2种PET形态，制造商会根据塑料瓶的材料特性，调整它们的比例。

但是结晶形态的PET，它的结构过于稳定，以至于目前最有效的酶也难以完全消化。

可能你会问，高温不是会让结晶形态的PET，变得松散、无序？

但是酶存在“高温不耐症”啊，温度一上来，酶就失活了。

那如何翻过这“两座大山”，让酶更好的水解PET？

首先是结构方面的问题。

研究人员查阅了角质酶(cutinase，一种α/β水解酶)的结构，并进行了化学模拟，找出了PET与这种酶的相互作用位置：他们发现PET与酶表面的“凹槽”相吻合(包括PET被切割的位置)。

为了改善PET与这个凹槽的契合度，研究人员创造了一大批酶的突变版本，通过不同的组合，改变了凹槽内侧的每一个氨基酸。

接下来，就是酶不耐高温的问题。

对相关的酶做了研究之后，似乎有了一种线索：许多酶是通过与一种金属离子相互作用来稳定的，这种金属离子将酶的两个部分固定在一起。

因此，从这种酶的原始版本开始，研究人员在两种氨基酸中进行工程设计，可以在这两部分之间形成化学键。这种版本的酶，在高温下就会更加稳定。

最后，研究人员通过一系列的改良，创造出了2个版本的酶，并在切碎的塑料瓶上进行实验。

不仅水解效率高，还很便宜

如此改良后的水解酶，效率是极高的。

前人提出的水解酶，20小时内能消化一半的PET。而在这项工作中，只需要15个小时，消化率就能达到85%。

不仅如此，通过优化条件，他们能够在10小时内将PET分解率达到90%。

虽然还残留一些结晶形态的PET，但这种效率已然是很高了：可以从1000公斤的PET废料中提取出863公斤的原料。

换句话说，重新设计的这种酶的效率，比我们身体里分解淀粉酶的效率还要高。

而后，研究人员还利用这些原料，以工业标准制造了新的PET产品。

这些新产品的耐压能力，仅比用标准化学原料生产的PET值低5%；外观方面也只差了10%，符合PET产品生产标准。

当然，成本也是一个重要的考量因素。

与石化原料相比，使用再生PET的成本是多少呢?

研究人员估计，如果制造这种蛋白质的成本是每公斤25美元，那么这个过程的成本将是用这种蛋白质制造PET成本的4%。

尽管这可能不像石化产品那么便宜，但相对来说，它将不受未来价格冲击的影响，而且更具有可持续性。

One More Thing

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，它们之间的键较难断裂。但是，如果成功的话，它可以帮助社会解决我们面临的最具挑战性的塑料问题之一。

Nature论文：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2149-4