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可降解塑料的酶能否解決塑料垃圾帶來的環(huán)境問題？

2018-4-21 11:11:42

? 科學家設(shè)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(huán)境問題之一變得有可能。該發(fā)現(xiàn)解決了數(shù)百萬噸聚對苯二甲酸乙二酯（PET）制成的塑料瓶的回收問題，或用來分解已經(jīng)在環(huán)境中殘存數(shù)百年的PET垃圾。
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(fā)現(xiàn)用來分解PET的酶(PETase )的晶體結(jié)構(gòu)，并通過3D信息來了解它如何工作。在研究過程中，他們無意中設(shè)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(xiàn)在，研究人員正致力于進一步改進這種酶，使其可持續(xù)用于工廠內(nèi)的塑料分解。他們在研究天然酶的結(jié)構(gòu)時取得了突破性進展，并認為這種酶是在日本的廢物回收中心培養(yǎng)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(xiàn)時間并不長，因此研究團隊都致力于查明酶的發(fā)展以及能否改良它。
研究最終目標只是為了確定酶的結(jié)構(gòu)，但未曾想他們走得更遠，并意外地設(shè)計出了一種可以更好地分解PET塑料的酶。
McGeehan 說：“在基礎(chǔ)科學研究中，偶然性經(jīng)常扮演重要角色，所以我們偶然性的發(fā)現(xiàn)也很正常。”
“雖然改善幅度不大，但這一偶然的發(fā)現(xiàn)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。”
研究小組現(xiàn)在可以應用蛋白質(zhì)工程和演變技術(shù)來繼續(xù)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。
使用他們最新的實驗室中的I23光束線利用超高分辨率的3D模型生成精準的PETase酶。
McGeehan教授表示：“ Diamond Light Source最近創(chuàng)造了世界上最先進的X射線光束線之一，通過這一設(shè)備我們能夠以難以置信的方式細致的看到PETase的3D原子結(jié)構(gòu)。而看到這種生物催化劑的內(nèi)部運作為我們提供了藍圖來設(shè)計更快更有效的酶。”
進化后的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(fā)現(xiàn)PETase酶看起來與角質(zhì)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(jīng)在含有PET塑料的環(huán)境中進化了。為了檢驗該假設(shè)，研究人員突變了PETase酶的活性位點以使它更像角質(zhì)酶。
研究人員意外發(fā)現(xiàn)進化后的PETase酶在降解PET塑料方面比天然PETase酶更好。
值得注意的是，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(shù)與生物科學研究委員會(BBSRC)資助。

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