出來吧！自然界蠶吃塑膠的生物

By Roshni Printer

 

 

處理塑膠廢料一直都是全球面對的挑戰，亟需各方關注和創新的解決方案。然而試想想，如果大自然早已給予我們解決方案呢？在與塑膠污染的搏鬥中，人類已經發現蠕蟲和細菌驚人的塑膠分解能力 [1]。讓我們看看這些生物如何分解塑膠，過程背後的原理，以及未來發展的方向。

 

由蠟蟲分解聚乙烯（PE）

2017年，西班牙科學家Federica Bertocchini和同事發表了一篇突破性的研究論文，內容提及蠟蟲Galleria mellonella分解聚乙烯（polyethylene / PE）的能力 [2]。作為業餘的養蜂人，Bertocchini發現這種經常在蜂巢出沒，以蜂蠟為食物的害蟲似乎能夠嚼穿Bertocchini用來收集並棄置牠們的膠袋。被這個現象深深吸引的Bertocchini決定進行有系統的研究探索把蠟蟲應用於降解塑膠廢料的可能性。

 

為了證明蠟蟲並不只是把膠袋嚼碎，研究人員把從蠟蟲抽取的唾液塗抹在PE薄膜上，結果大部分PE在僅僅數小時內就已被分解，程度可比把塑膠曝露在環境中以月或年計的侵蝕作用 [1]。於是問題來了：蠟蟲唾液到底是怎樣破壞塑膠中較強的碳-碳鍵呢？這個仍被研究中的機制可以歸類為酶催化作用 [1]。PE是一種塑膠聚合物，基本上是一條長鏈碳氫化合物（圖一）。要開始PE的降解，氧要被引進聚合物長鏈中形成羰基（C=O）。一般這被認為是瓶頸位的第一步是由光和熱這些非生物因子負責，但在蠟蟲唾液發現的兩種氧化酶亦能催化這重要的一步。此外，蠟蟲的腸道菌群亦似乎有參與PE的分解，當中不動桿菌（Acinetobacter）屬被認為是推動反應的主要細菌 [3]。

 

圖一  PE的化學結構

 

由細菌分解聚對苯二甲酸乙二酯（PET）

約莫在Bertocchini作出突破性發現的同時，日本的科學家亦發現了細菌分解另一種塑膠的能力 [4]。這種被稱為Ideonella sakaiensis的細菌能分解膠樽的主要成分 — 聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate / PET）。細菌會製造兩種分別叫PET酶和MHET酶的消化酶分解聚合物（圖二）；前者拆解PET結構中的酯鍵，把聚合物分解成單（2-羥乙基）對苯二甲酸（mono(2-hydroxyethyl) terephthalic acid / MHET）單體，後者續把MHET分解成對苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）。進一步的代謝作用使細菌能使用這些化合物作能量和碳來源。

 

圖二  PET的降解途徑

 

然而要有效分解現實的塑膠廢料，這些酶的穩定性和效率還需要大大提升 — 這正是科學家Hal Alper正著手解決的問題 [5]。他的團隊利用人工智能在酶資料庫裡尋找可以加速PET分解的最佳突變組合，結果透過把五個突變引入野生型PET酶，他們創造出的FAST-PET酶在一週內就幾乎把未經處理的PET回收製品完全分解，而且還能在30 °C至50 °C和多個pH值間運作。此外，科學家亦成功利用連接肽把PET酶和MHET酶連接起來，合二為一的「超級酶」降解PET的速度是使用單一PET酶的六倍 [6, 7]。這些策略都有望加速PET廢料的降解，使我們離解決現實塑膠廢料的問題邁進了一步。

 

更有趣地，愛丁堡的科學家亦作出了另一個「美味」的突破 [8]。他們發現了把PET回收製品轉化成雲呢拿主要成分香草醛（vanillin）的酶催化途徑。當PET塑膠被分解成TPA和EG後，他們在降解產物中加入經基因改造的大腸桿菌（Escherichia coli），細菌會表達五種不同的酶將TPA逐步轉化成香草醛，轉化率更高達79%。這個生物合成途徑為我們提供升級改造（upcycle）塑膠廢料的方法，製造出擁有更高價值的產物。

 

利用酶降解塑膠的競賽正進入白熱化階段，可望為我們締造更潔淨的未來。借助大自然的力量，我們在解決塑膠污染問題上離扭轉劣勢又進了一步。

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參考資料：

[1] Sanluis-Verdes, A., Colomer-Vidal, P., Rodriguez-Ventura, F., Bello-Villarino, M., Spinola-Amilibia, M., Ruiz-Lopez, E., Illanes-Vicioso, R., Castroviejo, P., Aiese Cigliano, R., Montoya, M., Falabella, P., Pesquera, C., Gonzalez-Legarreta, L., Arias-Palomo, E., Solà, M., Torroba, T., Arias, C. F., & Bertocchini, F. (2022). Wax worm saliva and the enzymes therein are the key to polyethylene degradation by Galleria mellonella. Nature Communications, 13(1), 5568. https://doi.org/10.1038/s41467-022-33127-w

[2] Bombelli, P., Howe, C. J., & Bertocchini, F. (2017). Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella. Current Biology, 27(8), R292–R293. https://doi.org/10.1016/j.cub.2017.02.060

[3] Cassone, B. J., Grove, H. C., Elebute, O., Villanueva, S. M. P., & LeMoine, C. M. R. (2020). Role of the intestinal microbiome in low-density polyethylene degradation by caterpillar larvae of the greater wax moth, Galleria mellonella. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 287(1922), 20200112.
https://doi.org/10.1098/rspb.2020.0112

[4] Yoshida, S., Hiraga, K., Takehana, T., Taniguchi, I., Yamaji, H., Maeda, Y., Toyohara, K., Miyamoto, K., Kimura, Y., & Oda, K. (2016). A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science, 351(6278), 1196–1199. https://doi.org/10.1126/science.aad6359

[5] Lu, H., Diaz, D. J., Czarnecki, N. J., Zhu, C., Kim, W., Shroff, R., Acosta, D. J., Alexander, B. R., Cole, H. O., Zhang, Y., Lynd, N. A., Ellington, A. D., & Alper, H. S. (2022). Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization. Nature, 604(7907), 662–667. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04599-z

[6] Knott, B. C., Erickson, E., Allen, M. D., Gado, J. E., Graham, R., Kearns, F. L., Pardo, I., Topuzlu, E., Anderson, J. J., Austin, H. P., Dominick, G., Johnson, C. W., Rorrer, N. A., Szostkiewicz, C. J., Copié, V., Payne, C. M., Woodcock, H. L., Donohoe, B. S., Beckham, G. T., & McGeehan, J. E. (2020). Characterization and engineering of a two-enzyme system for plastics depolymerization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 117(41), 25476–25485. https://doi.org/10.1073/pnas.2006753117

[7] University of Portsmouth. (2020, September 28). New enzyme cocktail digests plastic waste six times faster. https://www.port.ac.uk/news-events-and-blogs/news/new-enzyme-cocktail-digests-plastic-waste-six-times-faster

[8] Sadler, J. C., & Wallace, S. (2021). Microbial synthesis of vanillin from waste poly(ethylene terephthalate). Green Chemistry, 23(13), 4665–4672. https://doi.org/10.1039/d1gc00931a