導讀：目前全球面臨的環境問題有全球變暖，水體污染，空氣污染，森林銳減等等，其中導致水體污染和空氣污染，很大一部分是由我們每天生產的塑料垃圾導致的。塑料的產生已經給生物帶來了很多災難性的后果，許多物種因塑料的不可降解而逐漸銳減，甚至滅絕。塑料污染，已經成為關乎全人類和地球生物生存的關鍵問題。目前的估計表明，全世界每年生產的3.59億噸塑料中，有1.5-2億噸積聚在垃圾填埋場或自然環境中。對生物的具體危害從下圖可見微知著。因此，迫切需要開發出可降解塑料的技術。聚對苯二甲酸乙二酯（PET）是世界上最豐富的聚酯塑料，全球每年生產約7000萬噸用于紡織和包裝。PET的主要回收過程，是通過熱機械手段，但這會導致機械性能的損失，性能降低可用性就不強了。所以導致的結果是，工業更希望重新合成PET，而不是回收，從而使得PET廢料繼續積聚，形成惡性循環。PET是一種極難水解的聚酯，因為其芳香對苯二甲酸酯單元的比例很高，降低了鏈的流動性。之前一些PET水解酶已被報道，但表現出有限的生產力，所以，想要PET能被水解，還需要一些功夫。2020年4月9日，法國圖盧茲大學A. Marty、S. Duquesne和I. André等人描述了一種改進的PET水解酶（改進了一種名為leaf-branch compost cutinase (LCC)的角質酶），該酶在10個小時內最終實現了至少90％的PET解聚為單體，生產率為每升每小時16.7克對苯二甲酸酯（200克/千克PET懸浮液，酶濃度為3毫克/克PET），優化的酶的性能優于迄今為止報道的所有PET水解酶。重要的是，研究人員還表明可以通過酶解聚的PET廢料來生產生物回收PET瓶子，其性能與石油化學合成的PET相當，因此可以重復使用以制造瓶子，從而有助于實現循環PET經濟的概念。研究成果在線發表于最新一期Nature雜志，并被選為封面文章。同一天，Science官網發表專欄文章，對此技術進行點評。首先，研究人員通過比較幾種水解酶和角質酶來降解PET，研究發現LCC角質酶在非晶態PET(Gf-PET)和瓶級PET(Pf-PET)的解聚性能均高于其他幾種酶，但是當達到玻璃化轉變溫度時，LCC反應在65℃下3天后停止，Pf-PET轉化率僅為31％。而通過再次加入LCC時，初始動力學可得以恢復，這意味著LCC的熱穩定性最有可能成為限制因素。因此，為了優化解聚收率，研究人員試圖通過酶工程來改善LCC的活性和熱穩定性。研究人員為了鑒定用于誘變的氨基酸殘基以提高催化活性，我們使用了分子對接和酶接觸表面分析來研究模型底物2-HE(MHET)3在野生型LCC活性位點的結合方式。篩選出高活性的F243位置的變體I和W。為了提高LCC的熱穩定性，研究人員在PET水解酶中尋找二價金屬結合位點來提高酶的熱穩定性。實驗證實，通過添加鈣離子可提高LCC熱穩定，但是為了降低反應成本和廣泛的下游凈化的需要，研究人員更傾向于避免鹽和添加劑，于此，他們采取了二硫鍵橋取代二價金屬結合位點的替代策略，實現LCC在不依賴鈣離子的情況下也具有熱穩定。研究人員工程化出四種四重變體（ICCG、ICCM、WCCG和WCCM），它們均具有相似或高于野生型LCC的比活性，熔融溫度也相對得以提高。在解聚試驗結果發現，ICCG和WCCG的轉化率最高，分別在20h和15h達到82%和85%。由于每克PET中3毫克酶的比率似乎最大化了PcWPET的解聚，試驗結果果真如此，WCCG和ICCG變體分別在10.5h和9.3h內獲得90%的解聚。為了在生產率和酶成本之間做出折衷，在中試規模（具有非常高PcW-PET含量（200 g/ kg））的解聚中，研究人員以2 mg每克PET使用了優化的ICCG變體，計算出，回收1噸PET所需的酶成本約占純PET噸價格的4％。這種高效，優化的酶的性能優于迄今為止報道的所有PET水解酶，包括來自在2016年Science報道的細菌Ideaella sakaiensis菌株201-F6的酶（甚至在次級酶的輔助下）以及近期高度關注的相關的改良變體。作為工藝開發的第一步，研究人員僅回收了占PET重量最主要部分的對苯二甲酸（1噸PET廢料可產生863千克對苯二甲酸）。然后使用與工業相關的方法，將對苯二甲酸單體純化到高于99.8％的水平。另外，在此過程中，每千克再生PET會產生0.6千克硫酸鈉。通過該的新工藝，每年回收10萬噸PET將產生約60,000噸硫酸鈉，占全球硫酸鈉市場的0.28％。重要的是，研究人員還表明可以使用此處生產的對苯二甲酸合成純凈的PET，其性能與石油化學合成的PET相當。綜上所述，研究人員使用計算機輔助酶工程技術，實現了在不到10 h的時間內將酶催化的PET解聚提高了90％轉化率。并使用所得的精制對苯二甲酸單體合成PET，最終將其吹塑成瓶，從而閉合了循環經濟的循環。由于全球迫切需要解決塑料處理問題，并且許多政府，國家和國際機構以及制造商致力于實現可持續發展目標以及循環經濟的理念，因此本文所述的PET廢料的酶處理可能有助于實現這些目標。Tournier,V., Topham, C.M., Gilles, A. et al. An engineered PET depolymerase to breakdown and recycle plastic bottles. Nature 580, 216–219 (2020).https://doi.org/10.1038/s41586-020-2149-4
