科学家设计了一种可以分解我们生活中最常见的塑料垃圾的酶, 使得解决世界上最大的环境问题之一变得有可能. 该发现解决了数百万吨聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 制成的塑料瓶的回收问题, 或用来分解已经在环境中残存数百年的PET垃圾.
图为John McGeehan教授和他的同事无意中设计了一种比自然界中用来降解塑料垃圾的酶效果更好的酶.
朴茨茅斯大学的John McGeehan教授和美国能源部可再生能源实验室(NREL)的Gregg Beckham博士共同研究了最近发现用来分解PET的酶(PETase )的晶体结构, 并通过3D信息来了解它如何工作. 在研究过程中, 他们无意中设计了一种酶, 比自然界中进化出来降解塑料的酶的性能更好.
现在, 研究人员正致力于进一步改进这种酶, 使其可持续用于工厂内的塑料分解. 他们在研究天然酶的结构时取得了突破性进展, 并认为这种酶是在日本的废物回收中心培养起来的, 它允许细菌降解塑料作为食物来源.
在20世纪40年代, PET塑料在自然界中出现时间并不长, 因此研究团队都致力于查明酶的发展以及能否改良它.
研究最终目标只是为了确定酶的结构, 但未曾想他们走得更远, 并意外地设计出了一种可以更好地分解PET塑料的酶.
McGeehan 说: '在基础科学研究中, 偶然性经常扮演重要角色, 所以我们偶然性的发现也很正常. '
'虽然改善幅度不大, 但这一偶然的发现表明, 还有更大的空间来改进这些酶, 使我们更有把握找到回收这些堆积如山的废弃塑料垃圾的解决方案. '
图为酶降解PET塑料的电子显微镜图像
研究小组现在可以应用蛋白质工程和演变技术来继续改进酶.
朴茨茅斯大学, 美国能源部可再生能源实验室(NREL)以及英国Diamond Light Source的科学家们共同合作, 使用比太阳光还亮100亿倍X射线光束作显微镜的同步加速器来观察单个原子.
图为Benjamin Luethi在检查Diamond Light Source的I23光束线, 它在酶的发现中发挥了重要作用
使用他们最新的实验室中的I23光束线利用超高分辨率的3D模型生成精准的PETase酶.
McGeehan教授表示: ' Diamond Light Source最近创造了世界上最先进的X射线光束线之一, 通过这一设备我们能够以难以置信的方式细致的看到PETase的3D原子结构. 而看到这种生物催化剂的内部运作为我们提供了蓝图来设计更快更有效的酶. '
进化后的PETase酶比天然PETase酶更好
在南佛罗里达大学和巴西坎皮纳斯大学的计算模型科学家们的帮助下, 研究团队发现PETase酶看起来与角质酶非常相似, 但PETase酶又具有一些不寻常的特性, 包括更开放的活性点, 能够适应人造聚合物而不仅仅是天然聚合物. 这些差异表明, PETase酶可能为了降解PET塑料而已经在含有PET塑料的环境中进化了. 为了检验该假设, 研究人员突变了PETase酶的活性位点以使它更像角质酶.
研究人员意外发现进化后的PETase酶在降解PET塑料方面比天然PETase酶更好.
值得注意的是, 这种酶还可以降解呋喃二羧酸聚乙二醇酯塑料(PEF), 它作为PET塑料的生物替代品, 也被认为是玻璃啤酒瓶的替代品.
该研究由朴茨茅斯大学, 美国能源部可再生能源实验室(NREL)和生物技术与生物科学研究委员会(BBSRC)资助.