科學(xué)家已經(jīng)在人體組織和胎盤中檢測到微塑料。 圖片來源：Rungroj Yongrit/EPA

?

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，新版限塑令將正式生效，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(jìn)入生態(tài)圈和食物鏈，為整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)帶來潛在影響。”1月27日，中科院微生物所研究員吳邊在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

在此背景下，吳邊團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外合作者基于計(jì)算機(jī)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)，實(shí)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)處理提供新的處理思路。相關(guān)成果近日以封面論文形式發(fā)表于美國化學(xué)會(huì)旗下的《催化》期刊。

從“白色污染”到“隱形殺手”

自上世紀(jì)初誕生以來，塑料工業(yè)已成為科技“雙刃劍”效應(yīng)的典型產(chǎn)業(yè)之一。它在給人類生活、生產(chǎn)帶來方便的同時(shí)，也導(dǎo)致大量的廢舊塑料垃圾不斷產(chǎn)生。

“由于其固有的硬度、強(qiáng)度、耐用性及穩(wěn)定性需求，廢棄塑料制品無法自動(dòng)降解，對環(huán)境造成嚴(yán)重危害。”論文共同第一作者、微生物所助理研究員崔穎璐對《中國科學(xué)報(bào)》說。目前，塑料垃圾的處理方式通常是填埋和焚燒，這種“生產(chǎn)—廢棄—處理”的單向過程既不符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念，也無法從源頭解決“白色污染”問題。

相比于能夠回收的塑料，肉眼看不見的微塑料的威脅更為嚴(yán)重，情況更為緊迫。

在2004年發(fā)表于《科學(xué)》雜志的文章中，英國普利茅斯大學(xué)的理查德·湯普森（Richard C. Thompson）等首次提出“微塑料”的概念。大量不可降解的微小塑料碎片（直徑約20微米）在環(huán)境中逐步轉(zhuǎn)移到土壤和海洋，最終進(jìn)入生態(tài)圈和食物鏈，被包括人類在內(nèi)的生物攝入，威脅人類健康和動(dòng)植物的生存。

近十余年來，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(dòng)物和人類吸收，影響其生長、發(fā)育和繁殖能力。去年，意大利一項(xiàng)研究首次報(bào)告在人類胎盤組織可檢測出微塑料，并證實(shí)這些微塑料攜帶對人類健康可產(chǎn)生長期影響的內(nèi)分泌破壞物質(zhì)。

“雖然在動(dòng)物研究中發(fā)現(xiàn)，塑料濃度最高的地方是腸道，但最小的塑料微粒能夠進(jìn)入血液、淋巴系統(tǒng)，甚至可能到達(dá)肝臟?！眾W地利維也納醫(yī)科大學(xué)研究員Philipp Schwabl曾表示。英國倫敦國王學(xué)院的Frank Carey也表示，當(dāng)微塑料濃度足夠大的時(shí)候，這些化學(xué)物質(zhì)能傷害甚至殺死細(xì)胞，蛋白質(zhì)及DNA都可能受到傷害。

在此背景下，2020年1月我國發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見》提出了分2020年、2022年、2025年三個(gè)時(shí)間段，加強(qiáng)塑料污染治理分階段的任務(wù)目標(biāo)。同時(shí)也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，包括塑料袋、塑料餐具、酒店等場所的一次性塑料用品和快遞塑料包裝。

盡管我國已在限制塑料制品的使用，并鼓勵(lì)回收再利用，但當(dāng)前仍有許多塑料被直接釋放到環(huán)境中。公開數(shù)據(jù)顯示，2019年，我國塑料制品累計(jì)產(chǎn)量8184萬噸，塑料薄膜產(chǎn)量達(dá)1594.62萬噸。相比之下，2019年生物降解塑料消費(fèi)量僅為52萬噸。在限塑令逐步實(shí)施的過程中，發(fā)展綠色生物降解策略成為生態(tài)環(huán)境保護(hù)的迫切需求。

打造“殺手”之“克星”

“是否可以無需經(jīng)過回收處理，就能就地降解微塑料呢？”長期從事人工設(shè)計(jì)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(gè)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)品過程。在此過程中加入催化物可用于加強(qiáng)生物降解。“生物催化本身具有天然的綠色性，理想的生物酶可讓微塑料降解事半功倍?！眳沁呎f。

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

在此背景下，吳邊團(tuán)隊(duì)與微生物所向華團(tuán)隊(duì)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。他們提出了一種提出新型蛋白質(zhì)穩(wěn)定性計(jì)算設(shè)計(jì)策略（GRAPE），基于計(jì)算機(jī)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)對IsPETase進(jìn)行了穩(wěn)定性改造，獲得了適應(yīng)性顯著增強(qiáng)的重設(shè)計(jì)酶（DuraPETase）。

因其在將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(tuán)隊(duì)對其進(jìn)行了改造。“據(jù)我所知，DuraPETase是迄今為止開發(fā)的最好的PETase突變體?！睂徃迦嗽u論稱。

新設(shè)計(jì)的酶蛋白“消化”塑料的能力遠(yuǎn)超自然界中發(fā)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了2克/升的高濃度微塑料在溫和條件下的完全降解。

“這里的溫和條件指的是工程微生物的最適溫度37℃，在這個(gè)條件下，我們期望可以在未來通過微生物技術(shù)來降解微塑料，為廢水中微塑料的預(yù)處理提供新的處理思路?！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。此次研究中，DuraPETase生物酶的誕生是人工智能（AI）設(shè)計(jì)蛋白在實(shí)際應(yīng)用中的又一次突破。

“目前，酶穩(wěn)定性計(jì)算改造的主要瓶頸問題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(jìn)化手段獲取高性能酶是一個(gè)漫長的過程。新研究結(jié)合了蛋白質(zhì)理性設(shè)計(jì)和AI算法，對計(jì)算獲得的有益突變體進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，再結(jié)合貪婪算法進(jìn)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(shí)間內(nèi)最大限度的探索出疊加路徑。

DuraPETase的晶體結(jié)構(gòu) 圖片來源：崔穎璐等

“這就好比在一個(gè)團(tuán)隊(duì)中，我們有很多優(yōu)秀的人才，各司其職，但我們并不確定哪些人在一起合作可以發(fā)揮最大的效果。GRAPE策略就是來解決這個(gè)問題，它通過對人才進(jìn)行歸類，并迭代組成不同的小團(tuán)體，可以快速地找出最適合在一起合作的團(tuán)隊(duì)?！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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)降解?！爱?dāng)然，這只是目前的一個(gè)設(shè)想。微塑料里面包含的塑料種類較多，目前我們主要涉及到PET塑料的處理，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，研究作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?xiàng)全球公益性事件，我們希望提供一個(gè)針對微塑料原位生物降解的有價(jià)值的工具，為以后的研究提供一個(gè)高性能的蛋白模板，期待更多的研究者可以在這個(gè)酶基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的改造?！眳沁呎f。

相關(guān)文章鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c05126

https://doi.org/10.1038/s41893-020-0567-9

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123828

https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.106274

該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)與歐盟委員會(huì)環(huán)境生物技術(shù)合作研究項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目和面上項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃生物資源衍生庫項(xiàng)目、以及北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持，并獲得了諾維信公司的大力支持和幫助。



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識(shí)