科學家設計了一種可以分解我們生活中最常見的塑料垃圾的酶, 使得解決世界上最大的環境問題之一變得有可能. 該發現解決了數百萬噸聚對苯二甲酸乙二酯 (PET) 製成的塑料瓶的回收問題, 或用來分解已經在環境中殘存數百年的PET垃圾.
圖為John McGeehan教授和他的同事無意中設計了一種比自然界中用來降解塑料垃圾的酶效果更好的酶.
樸茨茅斯大學的John McGeehan教授和美國能源部可再生能源實驗室(NREL)的Gregg Beckham博士共同研究了最近發現用來分解PET的酶(PETase )的晶體結構, 並通過3D資訊來了解它如何工作. 在研究過程中, 他們無意中設計了一種酶, 比自然界中進化出來降解塑料的酶的性能更好.
現在, 研究人員正致力於進一步改進這種酶, 使其可持續用於工廠內的塑料分解. 他們在研究天然酶的結構時取得了突破性進展, 並認為這種酶是在日本的廢物回收中心培養起來的, 它允許細菌降解塑料作為食物來源.
在20世紀40年代, PET塑料在自然界中出現時間並不長, 因此研究團隊都致力於查明酶的發展以及能否改良它.
研究最終目標只是為了確定酶的結構, 但未曾想他們走得更遠, 並意外地設計出了一種可以更好地分解PET塑料的酶.
McGeehan 說: '在基礎科學研究中, 偶然性經常扮演重要角色, 所以我們偶然性的發現也很正常. '
'雖然改善幅度不大, 但這一偶然的發現表明, 還有更大的空間來改進這些酶, 使我們更有把握找到回收這些堆積如山的廢棄塑料垃圾的解決方案. '
圖為酶降解PET塑料的電子顯微鏡映像
研究小組現在可以應用蛋白質工程和演變技術來繼續改進酶.
樸茨茅斯大學, 美國能源部可再生能源實驗室(NREL)以及英國Diamond Light Source的科學家們共同合作, 使用比太陽光還亮100億倍X射線光束作顯微鏡的同步加速器來觀察單個原子.
圖為Benjamin Luethi在檢查Diamond Light Source的I23光束線, 它在酶的發現中發揮了重要作用
使用他們最新的實驗室中的I23光束線利用超高解析度的3D模型生成精準的PETase酶.
McGeehan教授表示: ' Diamond Light Source最近創造了世界上最先進的X射線光束線之一, 通過這一設備我們能夠以難以置信的方式細緻的看到PETase的3D原子結構. 而看到這種生物催化劑的內部運作為我們提供了藍圖來設計更快更有效的酶. '
進化後的PETase酶比天然PETase酶更好
在南佛羅里達大學和巴西坎皮納斯大學的計算模型科學家們的幫助下, 研究團隊發現PETase酶看起來與角質酶非常相似, 但PETase酶又具有一些不尋常的特性, 包括更開放的活性點, 能夠適應人造聚合物而不僅僅是天然聚合物. 這些差異表明, PETase酶可能為了降解PET塑料而已經在含有PET塑料的環境中進化了. 為了檢驗該假設, 研究人員突變了PETase酶的活性位點以使它更像角質酶.
研究人員意外發現進化後的PETase酶在降解PET塑料方面比天然PETase酶更好.
值得注意的是, 這種酶還可以降解呋喃二羧酸聚乙二醇酯塑料(PEF), 它作為PET塑料的生物替代品, 也被認為是玻璃啤酒瓶的替代品.
該研究由樸茨茅斯大學, 美國能源部可再生能源實驗室(NREL)和生物技術與生物科學研究委員會(BBSRC)資助.