吃塑料的细菌是如何工作的?

作者:晴空飞燕/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-04-25

通过分泌PET降解酶来完成塑料分解。

吃塑料的细菌是如何工作的?

今天我们扔掉的塑料瓶子将存在几百年。这是为什么今天塑料污染问题愈演愈烈的主要原因之一。塑料污染问题极为严重,甚至对海洋生命带来致命性的影响。 

然而,最近科学家发现了一种能够吃掉塑料的细菌。准确来说,这种细菌吃掉的是制造塑料瓶所使用的塑料。目前,科学家已对细菌实现改良,使其工作速度更快。虽然这种细菌的影响有限,并不能完全解决塑料污染的问题,但这一方案确实展示了细菌如何帮助创建更环保的资源回收利用。 

塑料都是复杂的聚合物,这意味着它们长而重复的分子链不溶于水。这些分子链的强度使得塑料非常耐用,同时也意味着它们需要很长时间才能自然分解。如果塑料可以分解为更小的、具有可溶性的化学单位,那么我们就可以回收部分的基础材料,并使其在闭环系统中形成新的塑料。 

2016年,日本科学家测试了许多来自塑料瓶回收站的细菌。他们发现一种名为Ideonella sakaiensis 201-F6的细菌能够消化用于生产一次性饮料瓶的塑料——也就是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。这种细菌通过分泌PET降解酶(PETase)来完成塑料分解。这种酶是一种能够加快化学反应的蛋白质,它能够分解PET中特定的酯基化学键并使用其中的碳作为食物来源,最终留下细菌能够消化的小分子。

虽然我们已经知道其它细菌酶能够缓慢地消化PET,但这种新发现的酶明显进化得更加适应吞噬塑料这种工作。这表明了新的酶的工作速度更快、效率更高,具有应用于生物循环领域的潜力。 

因此,为了更确切地了解PET降解酶的运作方式,数个团队正在研究它的结构。在过去的一年内,来自韩国、中国、英国、美国和巴西的研究团队都发表了相关的论文,他们在论文中展示PET降解酶的高清结构并分析其作用机制。 

论文表明,PET降解酶中起化学分解作用的部分能够自然地粘附于PET的表面,并在30℃的环境下运作,这使得PET降解酶适用于生物反应器的循环回收。此外,有两个团队发现,稍微改变PET降解酶的化学特性,PET降解酶就会以不同方式作用于PET,能比自然的PET降解酶运作的更快。 

在生物反应器中使用酶类物质来分解并回收塑料说起来简单,做起来难。塑料本身的特性让它们很难与酶类物质发生反应。 

使用在饮料瓶中的PET具有半结晶的分子结构,这意味着塑料分子紧密地结合实在一起,酶类物质很难对它们起作用。最新的研究表明,经过改良后的酶可能更加有效,因为它易于接近与反应相关的分子,能够轻松地分解PET分子,甚至是掩埋后的分子。

适度的改良

人类对PET降解酶的改良并不显著,我们远不能解决塑料危机问题。但这项研究阐述了PET降解酶的分解方式及其广阔前景,并告知我们:操控酶中活性成分可以提高其工作速度。

吃塑料的细菌是如何工作的?

图注: 这种酶类物质的发现并不能完全解决塑料污染问题,但却为我们提供了处理废品的新方法。 

对酶类物质进行基因工程编辑,使他们比自然进化时更好地发挥作用。 这听起来有些不同寻常。也许这一成果表明这种利用PET降解酶的细菌只是最近进化出来,并且生存在人造塑料上的。这给了科学家一个激动人心的机会:科学家有可能通过编辑经优化的PET降解酶来赶超这种细菌的进化。 

然而,科学界还存在着一种顾虑。当我们把改良后的细菌使用于生物反应器,这些细菌很可能是被高度控制的。而这种细菌进化的首要目的是为了降解并且消耗塑料。这就说明,我们极为信赖的塑料并不如我们想象的那般耐用。 

如果更多的细菌开始以疯狂的状态食用塑料, 原本可以持续存在多年的塑料制品和塑料结构就会受到威胁。塑料制造业也会面临巨大的挑战,因为相关从业人员必须阻止产品被饥饿的微生物污染。 

来自抗生素领域的教训告诉我们,我们并不比细菌聪明多少。但这样的研究可能会给我们一个全新的开始。 

蝌蚪五线谱编译自independent译者 晴空飞燕,转载须授权 

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