新研究在37℃下完全降解高濃度微塑料

固廢網(wǎng)訊:紙質(zhì)吸管取代塑料吸管，環(huán)保餐具取代普通塑料餐具，可降解塑料袋取代一次性塑料袋……今年1月起，新版限塑令正式生效，許多一次性塑料制品的生產(chǎn)、銷售和使用被按下了停止鍵。

盡管我國對塑料制品的限制使用和回收再利用日益重視，但仍有大量塑料被直接釋放到環(huán)境中?！斑@些暴露的塑料制品在物理作用、光降解等過程影響下形成微塑料，最終進入生態(tài)圈和食物鏈，給整個生態(tài)系統(tǒng)帶來潛在影響。”中科院微生物研究所（以下簡稱微生物所）研究員吳邊在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。

在此背景下，吳邊團隊與國內(nèi)外合作者基于計算機蛋白質(zhì)設(shè)計，實現(xiàn)了高濃度聚對苯二甲酸乙二酯（PET）微塑料在溫和條件下的完全降解，為廢水中微塑料的預(yù)處理提供新思路。相關(guān)成果近日以封面文章形式發(fā)表于《催化》。

從“白色污染”到“隱形殺手”

“由于其固有的硬度、強度、耐用性及穩(wěn)定性需求，廢棄塑料制品無法自動降解，對環(huán)境造成危害?！闭撐墓餐谝蛔髡?、微生物所助理研究員崔穎璐對《中國科學(xué)報》說。相比于能回收的塑料，肉眼看不見的微塑料威脅更為嚴(yán)重，情況更為緊迫。

2004年，英國普利茅斯大學(xué)的Rid C. Thompson等首次提出“微塑料”概念。10余年來，國內(nèi)外大量研究先后發(fā)現(xiàn)，微塑料可被農(nóng)作物，魚類、蚯蚓、雞、蜜蜂等海洋和陸地動物以及人類吸收，影響其生長、發(fā)育和繁殖能力。

在此背景下，2020年1月，我國發(fā)布的《關(guān)于進一步加強塑料污染治理的意見》提出,分2020年、2022年、2025年3個時間段，明確加強塑料污染治理分階段的任務(wù)目標(biāo)，同時對各類塑料制品制定了具體的禁止、限制生產(chǎn)或使用要求。

不過，公開數(shù)據(jù)顯示，2019年，我國塑料制品累計產(chǎn)量8184萬噸，塑料薄膜產(chǎn)量達(dá)1594.62萬噸。相比之下，生物降解塑料消費量僅為52萬噸。在限塑令逐步實施的過程中，發(fā)展綠色生物降解策略成為迫切需求。

打造“殺手”之“克星”

“是否無需經(jīng)過回收處理即可就地降解微塑料？”長期從事人工設(shè)計酶蛋白的吳邊希望能夠通過人工智能（AI），提供“更綠色”的解決方案。

目前，溫和條件下的微塑料原位降解研究是一個新興領(lǐng)域。即利用原有或接種微生物降解或代謝微塑料，將其轉(zhuǎn)化為無害的末端產(chǎn)品。在此過程中加入催化物可加強生物降解?！吧锎呋旧砭哂刑烊坏木G色性，理想的生物酶可讓微塑料降解事半功倍。”吳邊說。

2016年，日本京都工藝?yán)w維大學(xué)的Kohei Oda團隊報道了首個可在30℃下有效降解低結(jié)晶度PET塑料（自然降解時間需要數(shù)百年）的IsPETase降解酶。然而，該酶穩(wěn)定性極差，不能滿足生物降解實際應(yīng)用需求。

在此背景下，吳邊團隊與微生物所向華團隊及天津工業(yè)生物技術(shù)研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京大學(xué)以及美國加州大學(xué)的研究者合作，探究是否可以通過原位處理，就地降解微塑料。他們提出了一種新型蛋白質(zhì)穩(wěn)定性計算設(shè)計策略（GRAPE），基于計算機蛋白質(zhì)設(shè)計對IsPETase進行穩(wěn)定性改造，獲得了適應(yīng)性顯著增強的重設(shè)計酶（DuraPETase）。

因IsPETase在將PET轉(zhuǎn)化為碳和能源方面的潛力，自2016年發(fā)現(xiàn)以來，全球有許多科研團隊對其進行了改造?！皳?jù)我所知，DuraPETase是迄今為止開發(fā)得最好的PETase突變體?！睂徃迦嗽u論稱。

新設(shè)計的酶蛋白“消化”塑料能力遠(yuǎn)超自然界中的物質(zhì)。在溫和條件下，DuraPETase對30%結(jié)晶度PET薄膜的降解效率相較于野生型提升了300倍。通過掃描電鏡可觀察到，經(jīng)其處理后的PET薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的腐蝕變化——實現(xiàn)了2克/升的高濃度微塑料在溫和條件下的完全降解。

“溫和條件是指工程微生物的最適溫度37℃，在這個條件下，我們期望未來通過微生物技術(shù)降解微塑料，為廢水中微塑料的預(yù)處理提供新思路?！眳沁呎f。

AI加持 效率更高

酶蛋白可謂現(xiàn)代生物催化反應(yīng)的“芯片”。若用理想的生物酶為“媒”，生物催化可事半功倍。DuraPETase生物酶的誕生是AI設(shè)計蛋白在實際應(yīng)用中的又一次突破。

“目前，酶穩(wěn)定性計算改造的主要瓶頸是無法解決有益突變的全局疊加問題?！眳沁呎f。以往以蛋白質(zhì)進化手段獲取高性能酶是一個漫長的過程。新研究結(jié)合了蛋白質(zhì)理性設(shè)計和AI算法，對計算獲得的有益突變體進行系統(tǒng)聚類分析，再結(jié)合貪婪算法進行網(wǎng)絡(luò)迭代疊加，大幅規(guī)避了負(fù)協(xié)同相互作用，在較短時間內(nèi)最大限度地探索出疊加路徑。

“這就好比在一個團隊中，優(yōu)秀人才各司其職，但我們并不確定哪些人在一起合作可以發(fā)揮最大效果。GRAPE策略就是來解決這個問題，它通過對人才歸類，并迭代組成不同的小團體，快速找出最適合在一起合作的人?！贝薹f璐解釋說。

對此，審稿人認(rèn)為，這在很大程度上提高了PET降解酶在高溫條件下的穩(wěn)定性和效率。研究進一步表明，這種酶在環(huán)境溫度下也有顯著改善的性能，并對PBT和PEN等其他聚酯塑料底物也有降解作用。

下一步，研究者希望把DuraPETase酶蛋白整合到微生物，甚至工程微生物組中，實現(xiàn)環(huán)境中的直接降解。例如，可在一些垃圾回收場旁邊設(shè)立降解場地，直接在降解場地投放微生物實現(xiàn)降解。“當(dāng)然，這只是一個設(shè)想。微塑料中包含的塑料種類較多，目前我們主要涉及PET塑料處理，所以還嚴(yán)重依賴前期的回收分類環(huán)節(jié)?！贝薹f璐說。

目前，研究者已公布了新生物酶的全部序列信息，且未申請專利?！八芰辖到馐且豁椚蚬嫘允录覀兿Ｍ峁┮粋€針對微塑料原位生物降解的有價值的工具，為以后的研究提供一個高性能的蛋白模板，期待更多的研究者可以在這個酶基礎(chǔ)上進行后續(xù)改造?！眳沁呎f。