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(duì)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。“這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，給整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)帶來潛在影響。”中科院微生物研究所(以下簡稱微生物所)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(duì)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)處理提供新思路。相關(guān)成果近日以封面文章形式發(fā)表于《催化》。

　　從“白色污染”到“隱形殺手”

　　“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(duì)環(huán)境造成危害。”論文共同第一作者、微生物所助理研究員崔穎璐對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說。相比于能回收的塑料，肉眼看不見的微塑料威脅更為嚴(yán)重，情況更為緊迫。

　　2004年，英國普利茅斯大學(xué)的Rid C. Thompson等首次提出“微塑料”概念。10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)物以及人類吸收，影響其生長、發(fā)育和繁殖能力。

　　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,分2020年、2022年、2025年3個(gè)時(shí)間段，明確加強(qiáng)塑料污染治理分階段的任務(wù)目標(biāo)，同時(shí)對(duì)各類塑料制品制定了具體的禁止、限制生產(chǎn)或使用要求。

　　不過，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，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迫切需求。

全生物可堆肥降解手套

　　打造“殺手”之“克星”

　　“是否無需經(jīng)過回收處理即可就地降解微塑料?”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。在此過程中加入催化物可加強(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。”吳邊說。

　　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，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(duì)IsPETase進(jìn)行穩(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IsPETase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(duì)其進(jìn)行了改造。“據(jù)我所知，DuraPETase是迄今為止開發(fā)得最好的PETase突變體。”審稿人評(píng)論稱。

　　新設(shè)計(jì)的酶蛋白“消化”塑料能力遠(yuǎn)超自然界中的物質(zhì)。在溫和條件下，DuraPETase對(duì)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。

　　“溫和條件是指工程微生物的最適溫度37℃，在這個(gè)條件下，我們期望未來通過微生物技術(shù)降解微塑料，為廢水中微塑料的預(yù)處理提供新思路。”吳邊說。

　　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。DuraPETase生物酶的誕生是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)算改造的主要瓶頸是無法解決有益突變的全局疊加問題。”吳邊說。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(duì)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)最大限度地探索出疊加路徑。

　　“這就好比在一個(gè)團(tuán)隊(duì)中，優(yōu)秀人才各司其職，但我們并不確定哪些人在一起合作可以發(fā)揮最大效果。GRAPE策略就是來解決這個(gè)問題，它通過對(duì)人才歸類，并迭代組成不同的小團(tuán)體，快速找出最適合在一起合作的人。”崔穎璐解釋說。

　　對(duì)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(duì)PBT和PEN等其他聚酯塑料底物也有降解作用。

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