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酶工程技术还可以降解与回收塑料垃圾?

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6442021-01-08 收藏

全球目前每年生产约3.59亿吨塑料,其中有1.52亿至2亿吨被堆积在垃圾填埋场或自然环境中。塑料不仅会造成经济损失,也会对环境、海洋造成严重的影响。在这些垃圾中,有近7000万吨的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,最丰富的聚酯塑料,可用于纺织品和包装)。

酶工程技术还可以降解与回收塑料垃圾?


科学家们一直在研究有效的方法回收废弃的塑料以解决塑料垃圾的污染问题,PET的主要回收手段是热机械方法,但是这种方法容易导致塑料机械性能的损失。因此,工业上优选从头合成PET而不是再回收利用,最终导致PET废物的持续积累。


此外,PET具有高比例的芳族对苯二甲酸酯单元(会降低链迁移率),这种聚酯很难水解。已经报道的为数不多的几种PET水解酶的生产率也十分有限。因此,塑料垃圾的降解与回收利用技术的研发是亟待解决的问题。


什么是酶工程技术?


酶工程又称蛋白质工程学,是指工业上有目的的设置一定的反应器和反应条件,利用酶的催化功能,在一定条件下催化化学反应,生产人类需要的产品或服务于其它目的的一门应用技术。


酶工程就是将酶或者微生物细胞,动植物细胞,细胞器等在一定的生物反应装置中,利用酶所具有的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备,酶的固定化,酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用,主要集中于食品工业,轻工业以及医药工业中。

酶工程技术还可以降解与回收塑料垃圾?


酶作为一种生物催化剂,已广泛地应用于轻工业的各个生产领域。近几十年来,随着酶工程不断的技术性突破,在工业、农业、医药卫生、能源开发及环境工程等方面的应用越来越广泛。


在生物体内找到了某种有用的酶,即使含量再低,应用基因重组技术,通过基因扩增与增强表达,就可能建立高效表达特定酶制剂的基因工程菌或基因工程细胞了。把基因工程菌或基因工程细胞固定起来,就可构建成新一代的生物催化剂——固定化工程菌或固定化工程细胞了。人们也把这种新型的生物催化剂称为基因工程酶制剂。

酶工程技术还可以降解与回收塑料垃圾?


新一代基因工程酶制剂的开发研制,无疑是使酶工程如虎添翼。固定化基因工程菌、基因工程细胞技术将使酶的威力发挥得更出色,科学家们预言,如果把相关的技术与连续生物反应器巧妙结合起来,将导致整个发酵工业和化学合成工业的根本性变革。


对酶进行改造和修饰也是酶工程的一项重要内容。


酶的作用力虽然很强,尤其是被固定起来之后,力量就更大了,但并不是所有的酶制剂都适合固定化的,即使是用于固定化的天然酶,其活性也往往不能满足人们的要求,需要改变其某些性质、提高其活性,以便更好地发挥其催化功能。


于是,酶分子修饰和改造的任务就被提出来了。


一般来说,科学家们是通过对酶蛋白分子的主链进行“切割”、“剪切”以及在侧链上进行化学修饰来达到改造酶分子的目的的。被修饰、改造的酶分子,无论是物化性质,还是生物活性都得到了改善,甚至被赋予了新的功能。


酶工程技术可以解决白色污染吗?


答案是肯定的,在酶的人工合成技术和基因制取更完备后,这个目标将更容易实现。


2016年,来自日本京都工业大学纺织科学研究所的科学家Kenji Miyamoto和其同事们在《Science》上首次报道了可“吞噬”PET的细菌,他们称之为Ideonella sakaiensis。这种细菌以PET为主要碳源和能量源,在30摄氏度左右即可发挥作用降解塑料垃圾。


这项技术对于塑料的回收利用、环保等方面的意义非常重大。

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生长在PET表面的Ideonella sakaiensis细菌

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Ideonella sakaiensis细菌对PET的降解过程


2020年4月9日,来自法国图卢兹大学的阿兰·马蒂(Alain Marty)和他的同事们在《Nature》发表题为“An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles”的论文。据报道,他们已经利用计算机辅助酶工程技术设计出一种酶,该酶可以在中试规模下有效地将PET分解为其单体成分。


10个小时后,团队的PET水解酶可以使PET解聚至少90%。这种高效的酶性能优于迄今为止报道的所有PET水解酶。


更重要的是,所得的纯化单体具有与石化原料新鲜产生的单体相同的性质,因此可以重复用于制造塑料瓶,从而更接近基于PET的循环经济理念。该工作也被选为《Nature》该期的封面论文。

酶工程技术还可以降解与回收塑料垃圾?


PET降解酶的发现给塑料垃圾的降解与回收利用打开了一扇门,从最初日本的科学家在垃圾山发现奇异的嗜PET细菌,到分离出相应的降解酶,再到来自法国的科学家们利用计算机辅助酶工程技术将酶的性能提升,无不体现了自然的神奇与智慧的伟大。


更值得注意的是,如使用计算机辅助酶工程技术,可以在不到10小时的时间内将酶催化的PET解聚的转化率提高到90%以上,这不得不对酶工程的前景更加期待。

来源:化学通讯,如侵删

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