设计酶蛋白，打造“隐形杀手”之绿色“克星”

　　纸质吸管取代塑料吸管，环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，新版限塑令将正式生效，许多一次性塑料制品的生产、销售和使用被按下了停止键。

　　尽管我国对塑料制品的限制使用和回收再利用日益重视，但仍有大量塑料被直接释放到环境中。“这些暴露的塑料制品在物理作用、光降解等过程影响下形成微塑料，最终进入生态圈和食物链，为整个生态系统带来潜在影响。”1月27日，中科院微生物所研究员吴边在接受《中国科学报》采访时说。

　　在此背景下，吴边团队与国内外合作者基于计算机蛋白质设计，实现了高浓度聚对苯二甲酸乙二酯（PET）微塑料在温和条件下的完全降解，为废水中微塑料的预处理提供新的处理思路。相关成果近日以封面论文形式发表于美国化学会旗下的《催化》期刊。

　　从“白色污染”到“隐形杀手” 

　　自上世纪初诞生以来，塑料工业已成为科技“双刃剑”效应的典型产业之一。它在给人类生活、生产带来方便的同时，也导致大量的废旧塑料垃圾不断产生。

　　“由于其固有的硬度、强度、耐用性及稳定性需求，废弃塑料制品无法自动降解，对环境造成严重危害。”论文共同第一作者、微生物所助理研究员崔颖璐对《中国科学报》说。目前，塑料垃圾的处理方式通常是填埋和焚烧，这种“生产—废弃—处理”的单向过程既不符合循环经济的理念，也无法从源头解决“白色污染”问题。

　　相比于能够回收的塑料，肉眼看不见的微塑料的威胁更为严重，情况更为紧迫。

　　在2004年发表于《科学》杂志的文章中，英国普利茅斯大学的理查德·汤普森（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（直径约20微米）在环境中逐步转移到土壤和海洋，最终进入生态圈和食物链，被包括人类在内的生物摄入，威胁人类健康和动植物的生存。

　　近十余年来，国内外大量研究先后发现，微塑料可被农作物、（鱼类、蚯蚓、鸡、蜜蜂等海洋和陆地）动物和人类吸收，影响其生长、发育和繁殖能力。去年，意大利一项研究首次报告在人类胎盘组织可检测出微塑料，并证实这些微塑料携带对人类健康可产生长期影响的内分泌破坏物质。

　　“虽然在动物研究中发现，塑料浓度最高的地方是肠道，但最小的塑料微粒能够进入血液、淋巴系统，甚至可能到达肝脏。”奥地利维也纳医科大学研究员Philipp Schwabl曾表示。英国伦敦国王学院的Frank Carey也表示，当微塑料浓度足够大的时候，这些化学物质能伤害甚至杀死细胞，蛋白质及DNA都可能受到伤害。

　　在此背景下，2020年1月我国发布的《关于进一步加强塑料污染治理的意见》提出了分2020年、2022年、2025年三个时间段，加强塑料污染治理分阶段的任务目标。同时也对各类塑料制品制定了具体的禁止、限制生产或使用要求，包括塑料袋、塑料餐具、酒店等场所的一次性塑料用品和快递塑料包装。

　　尽管我国已在限制塑料制品的使用，并鼓励回收再利用，但当前仍有许多塑料被直接释放到环境中。公开数据显示，2019年，我国塑料制品累计产量8184万吨，塑料薄膜产量达1594.62万吨。相比之下，2019年生物降解塑料消费量仅为52万吨。在限塑令逐步实施的过程中，发展绿色生物降解策略成为生态环境保护的迫切需求。

　　打造“杀手”之“克星” 

　　“是否可以无需经过回收处理，就能就地降解微塑料呢？”长期从事人工设计酶蛋白的吴边希望能够通过人工智能（AI），提供“更绿色”的解决方案。

　　目前，温和条件下的微塑料原位降解研究是一个新兴领域。即利用原有或接种微生物降解或代谢微塑料，将其转化为无害的末端产品过程。在此过程中加入催化物可用于加强生物降解。“生物催化本身具有天然的绿色性，理想的生物酶可让微塑料降解事半功倍。”吴边说。

　　2016年，日本京都工艺纤维大学的Kohei Oda团队报道了首个可在30℃下有效降解低结晶度PET塑料（自然降解时间需要数百年）的IsPETase降解酶。然而，该酶稳定性极差，并不能满足生物降解实际应用需求。

　　在此背景下，吴边团队与微生物所向华团队及天津工业生物技术研究所、中国科学技术大学、南京大学以及美国加州大学的研究者合作，探究是否可以通过原位处理，就地降解微塑料。他们提出了一种提出新型蛋白质稳定性计算设计策略（GRAPE），基于计算机蛋白质设计对IsPETase进行了稳定性改造，获得了适应性显著增强的重设计酶（DuraPETase）。

　　因其在将PET转化为碳和能源方面的潜力，自2016年发现以来，全球有许多科研团队对其进行了改造。“据我所知，DuraPETase是迄今为止开发的最好的PETase突变体。”审稿人评论称。

　　新设计的酶蛋白“消化”塑料的能力远超自然界中发现的物质。在温和条件下，DuraPETase对30%结晶度PET薄膜的降解效率相较于野生型提升了300倍。通过扫描电镜可观察到，经其处理后的PET薄膜内部结构发生了显著的腐蚀变化——实现了2克/升的高浓度微塑料在温和条件下的完全降解。

　　“这里的温和条件指的是工程微生物的最适温度37℃，在这个条件下，我们期望可以在未来通过微生物技术来降解微塑料，为废水中微塑料的预处理提供新的处理思路。”吴边说。

　　AI加持 效率更高 

　　酶蛋白可谓现代生物催化反应的“芯片”。若用理想的生物酶为“媒”，生物催化可事半功倍。此次研究中，DuraPETase生物酶的诞生是人工智能（AI）设计蛋白在实际应用中的又一次突破。

　　“目前，酶稳定性计算改造的主要瓶颈问题是无法解决有益突变的全局叠加问题。”吴边说。以往以蛋白质进化手段获取高性能酶是一个漫长的过程。新研究结合了蛋白质理性设计和AI算法，对计算获得的有益突变体进行系统聚类分析，再结合贪婪算法进行网络迭代叠加，大幅规避了负协同相互作用，在较短时间内最大限度的探索出叠加路径。

　　“这就好比在一个团队中，我们有很多优秀的人才，各司其职，但我们并不确定哪些人在一起合作可以发挥最大的效果。GRAPE策略就是来解决这个问题，它通过对人才进行归类，并迭代组成不同的小团体，可以快速地找出最适合在一起合作的团队。”崔颖璐解释说。

　　对此，审稿人认为，这在很大程度上提高了PET降解酶在高温条件下的稳定性和效率。研究进一步表明，这种酶在环境温度下也有显著改善的性能，并对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，甚至工程微生物组中，实现环境中的直接降解。例如，可在一些垃圾回收场旁边设立降解场地，直接在降解场地投放微生物实现降解。“当然，这只是目前的一个设想。微塑料里面包含的塑料种类较多，目前我们主要涉及到PET塑料的处理，所以还严重依赖前期的回收分类环节。”崔颖璐说。

　　目前，研究作者已公布了新生物酶的全部序列信息，且未申请专利。“塑料降解是一项全球公益性事件，我们希望提供一个针对微塑料原位生物降解的有价值的工具，为以后的研究提供一个高性能的蛋白模板，期待更多的研究者可以在这个酶基础上进行后续的改造。”吴边说。

　　相关文章链接： 

　　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

　　该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会与欧盟委员会环境生物技术合作研究项目、国家自然科学基金优秀青年项目和面上项目、中国科学院战略生物资源服务网络计划生物资源衍生库项目、以及北京市自然科学基金项目的支持，并获得了诺维信公司的大力支持和帮助。