科学家们在研究更优的塑料分解细菌方面取得了进展

不久前，分子生物学家克里斯托弗·约翰逊在一次聚会上与另一位客人闲聊，谈论他的研究，科学家们经常这样做。约翰逊的研究方向是分解塑料，而塑料往往对此类物质具有很强的抵抗力。

在这场婚前晚会上，与他交谈的那位女士回答说，她对整个情况感到不知所措和绝望：我们似乎无法停止使用塑料，塑料挤满了垃圾填埋场，塑料的微粒渗透到海洋中。

“不知所措，”约翰逊想道。 “毫无希望。”

约翰逊回忆起当时的反应时说：“我与那个观点相距甚远。”

这是因为塑料不只是发生在约翰逊身上，而是发生在他们身上。约翰逊是美国国家可再生能源实验室的一名研究科学家，去年，他和同事们发明了一种生物酶，可以有效地咀嚼一次性塑料，比如那些用来制作水瓶和肥皂容器的塑料。该团队乐观地认为，他们可以创造一个人类继续使用这种过剩材料的世界——而不会最终被它压垮。在那个世界里，作为更广泛、更强大的回收系统的一部分，微生物会将聚合物消化成化学成分，从而以新的、更好的产品获利。

目前，从化学角度来说，回收实际上并没有将塑料变成任何东西：它只是将废物磨成更小的碎片，就像将纸撕成条一样。然后制造商将这些碎片重新制成质量较低的塑料。在生物基回收中，正如业内人士所称，食用塑料的生物会将制造新材料并最终制成商品的原材料返还给你。

约翰逊的研究小组尤其吸引了公众的注意，因为他们的发现纯属偶然，而且可以成为一个很好的故事。怀疑论者担心这一努力可能会适得其反——转基因动物可能会开始吞食错误的聚合物。就像你开车时吞食汽车仪表盘一样。这种可能性极小，但并非完全错误。

毕竟，所有这些塑料垃圾本身都是意想不到的后果。这种合成材料最初是为了替代象牙，以拯救大象免遭屠杀。但这种创新也让我们陷入了今天的境地：不知所措和绝望。人类每年生产的塑料量超过 3 亿吨，大约是所有人类总重量的五倍。

我们大多数现代聚合物只使用一次：水瓶、洗发水瓶、牛奶瓶、薯片袋、食品袋、咖啡搅拌棒。每年，近 900 万吨垃圾最终流向近海。你可能听说过太平洋垃圾带：位于海洋北半部的一片区域，漩涡洋流将所有垃圾聚集在这里。但你知道吗，到 2050 年，公海中的塑料可能比鱼还多？

约翰逊和他的团队认为，人类文明在清理垃圾方面做得并不好，部分原因是人类从来没有很好的经济动机来做这件事。但如果你能把这些塑料积木组装成比原来更有价值的东西——比如汽车零件、风力涡轮机，甚至是冲浪板——你就能改变回收的计算方式。企业可以通过为世界做好事来让自己受益。

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大部分偶然酶团队的成员都在科罗拉多州戈尔登的国家可再生能源实验室工作。该校区紧邻落基山脉的山麓，从一片虚无中迅速上升到 14,000 英尺高的山峰。太阳能电池板占据了几乎所有建筑的屋顶。在该团队工作的现场测试实验室大楼内，ROYGBIV 级的公用管道沿着天花板和墙壁铺设。实验室里装满了冰箱、培养箱和高倍显微镜，在刷卡入口后面嗡嗡作响。在一楼的一间小会议室里，四位科学家背后是一块屏幕矩阵。

他们与佛罗里达、英国和巴西的同事一起，组成了这项生物基回收研究的梦幻团队：尼古拉斯·罗勒负责制造聚合物。格雷格·贝克汉姆试图弄清楚细菌和真菌化学物质如何分解纤维素等化合物，纤维素是植物细胞壁和许多蔬菜的主要成分。布莱恩·多诺霍研究含有聚合物消化酶的细胞如何工作。约翰逊设计了分泌这些酶的新型细胞。这些专业领域对于探索细菌如何满足对塑料的胃口以及如何操纵它们成为更好的零食爱好者都至关重要。

在他们身后的一块屏幕上，一种酶沿着纤维素的特写镜头滑动，咀嚼掉单根纤维素，然后将它们吐出，形成糖块——这是终极的驾车用餐体验。科学家说，这种模拟与聚合物遇到对手的方式相同。

该团队第一次得知这一概念是在 2016 年 3 月的《科学》杂志上，该杂志报道了日本的研究人员在堺市一家瓶子回收厂附近的土壤样本中发现了一种奇怪的细菌。这种细菌可以咀嚼聚对苯二甲酸乙二醇酯，俗称 PET，制造商广泛使用这种材料来制造塑料瓶和容器。由庆应义塾大学生物科学家 Kenji Miyamoto 领导的团队发现，这种细菌会喷射出一种酶，他们将其命名为 PETase，这种酶可以将聚合物剥离成化学碎片。他们以其家乡的名字将这种神奇的细菌命名为 Ideonella sakaiensis 。尽管如此，这并不是要贬低Ideonella ，但它的效果并不够快：在六周的时间和热带气温下，它可以咀嚼完一层 PET 薄膜。这可不是高效的回收工厂所需的材料。而且，让它生长需要精心的照料和喂养。

这篇期刊论文发表后不久，贝克汉姆来到英国，与朴茨茅斯大学的约翰·麦吉汉一起喝啤酒。麦吉汉是贝克汉姆的同事，从事纤维素研究，也是绘制微小酶结构的专家。他们开始集思广益，商讨如何联合起来更好地了解 PETase 如何消化 PET。毕竟，他们的工作已经研究了天然物质如何降解天然物质——例如，细菌和真菌如何利用酶消化纤维素。也许这项工作可以帮助他们了解天然物质如何分解合成物质。

经过一番头脑风暴后，两人招募了约翰逊、多诺霍和罗勒，以及佛罗里达州的另一位同事李·伍德科克。伍德科克的精密计算机模型可以模拟细胞化学物质的工作原理。然后，他们开始了研究。

首先，该团队需要了解 PETase 如何分解所选塑料。聚合物中的分子就像连接在一起的乐高积木，可以轻松拉开。对于 PET 来说，PETase 就是拉动者。但要了解 PETase 如何抓住并扭转塑料分子，该团队需要足够的酶来绘制它。

这时，约翰逊的细胞专业知识派上了用场。他们与一家外部公司合作，合成了产生 PETase 的基因，以便随后将其植入大肠杆菌中，大肠杆菌是一种可以在实验室中快速轻松培养的单细胞生物。他将遗传密码发送到大西洋彼岸的麦吉汉实验室。在那里，突变食物中毒者吃了些食物，开始分泌 PETase。

麦吉汉将 PETase 酶带到了一台配备超强 X 射线显微镜的设施中，该显微镜使用比太阳强 100 亿倍的光线来探测样本并创建原子级图片。在这台奇特的显微镜内部，超冷磁铁引导 X 射线，直到科学家们能够看到 PETase 本身，而不仅仅是它产生粘性物质的效果。

在外行人看来，这种酶就像是海绵和人脑的产物。或者，如果你是一位非常幸运的生物学家，你会发现它几乎和角质酶一模一样。角质酶是一种蜡状聚合物，覆盖在许多植物上。角质酶有一个狭窄的 U 形凹坑，凹陷在角质中。PETase 也有同样的 U 形凹坑，只是更宽，有点像哈哈镜中的角质酶。PETase 的 U 形凹陷在 PET 上，就像 BFF 项链的两侧。

这是显而易见的，贝克汉姆当时心想：他推断，这种酶最初是为了吃角质层而进化的，显然在如此多的垃圾存在的情况下，它已经适应了这种新的喜爱食物。

有了形态、功能和进化论的理论，团队于 2017 年 10 月提交了论文。但他们最钟爱的起源故事却存在问题。“我们的一位审稿人说，‘不，你必须展示这一点’，”贝克汉姆回忆道。

他想象，这将是一个糟糕的活动。角质酶通过达尔文进化成为 PET 酶，这似乎是显而易见的。但为了说明这是如何发生的，他们必须将进化时钟倒转，将宽大的 PET 酶 U 缩小为小的角质酶 U，他们认为，在此过程中，角质酶 U 无法咀嚼塑料，或者至少咀嚼能力下降。然后他们会逆转方向，将角质酶重新变成 PET 酶，展示一个酶如何变成另一个酶。

贝克汉姆必须接受（并消化）这些话。

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2017 年底，该团队开始了实验的前半部分，将 PETase 重新转化为角质酶。首先，他们调整了制造 PETase 酶的 DNA。具体来说，他们改变了两种氨基酸，使它们的替代物变成 U 形，从而创造出一种更接近角质酶的酶。而聚合物专家 Rorrer 则开始从同事那里收集瓶子，包括员工最喜欢的健怡百事可乐和健怡 Dr Pepper。（如今，这些垃圾仍然堆在他的隔间顶部。）他用标准的办公室打孔机剪出圆圈。然后，他把它们和改良酶的各个版本放在一起，预计回来时会发现它几乎没有任何进展。

但事实并非如此。四天后，罗勒回来时发现，这种被破解的酶不仅能发挥作用，而且比堺市回收厂的 PETase 多消耗了 30% 的垃圾。团队成员开始怀疑自己。罗勒想，也许我贴错了样品的标签。细胞分解专家多诺霍怀疑他们把样品弄混了。他们又重复了两次实验，但结果还是一样：这种新酶的消化能力很强。多诺霍回忆道：“我想，‘我想我们必须相信它，尽管我不知道该如何相信。’”

PETase 是否像团队推测的那样，由角质酶演化而来，这一结果仍未可知。但这一意外结果仍是好消息：这意味着他们可以改进进化已经造成的结果。化学工程师贝克汉姆说：“大自然并不一定能找到最终的解决方案。”

当他们在 2018 年 4 月宣布这一发现时，人们开始关注它的荒谬之处。约翰·麦吉汉获得了格温妮丝·帕特洛的伪科学健康品牌颁发的 Goop 奖。他试图拒绝它，但格温妮丝·帕特洛是无法拒绝的。但对于这个群体来说，出名是不够的。稍微改进 PETase 也不行。“这里可能还有空间让它变得更好，”贝克汉姆说。

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事实证明， Ideonella sakaiensis远非唯一一种能将塑料废物用作燃料的生物。“细菌可能只是为了吞食周围的一切东西而进化的，”基因工程师约翰逊说。几十年来，生物学家们已经知道，现有的酶，如微生物和真菌吐出的所谓酯酶，可以分解 PET 和尼龙。

苏黎世湖中漂浮的塑料携带着四种可以吞噬聚氨酯的生物。在海洋中，印度的研究人员发现了可以降解聚乙烯醇的细菌，而聚乙烯醇可以使纸张防水。另一组研究人员发现了一种真菌，其角质酶也能吞噬 PET。不过，这些细菌都无法大规模吞噬 PET，无法用于工业生产——至少目前如此。每年生产的塑料超过 3 亿吨，生物需要在以“y”结尾的所有日子里吞噬大约 906,000 吨塑料才能完成这项工作。花四天时间溶解一瓶健怡 Dr Pepper 瓶子的表面还不够快。

为了寻找更出色的聚合物消化剂，梦之队最近从蒙大拿州立大学招募了新队员，他们研究在黄石公园色彩鲜艳的温泉中沸腾的极端微生物。自拍的游客将大量垃圾扔进这些温泉中。在这样的温度下——有时超过 400 度——塑料会融化。

对于细菌来说，咀嚼过热的垃圾食品就像加速一样：一切都发生得更快。如果科学家能找到一种嗜热菌，或者改造一种嗜热菌，让它喜欢高温并食用 PET，那么他们就离一个足够快、可以在现实世界中发挥作用的过程更近了一步。

在这种情况下，未来的回收工厂会加热或切碎塑料，然后将其扔进一大锅热水中，并撒上一些 PETase（或其他饥饿酶）。这样就会产生一锅多音节成分：对苯二甲酸和乙二醇，这些成分可以被公司制成更强、更高价值的聚合物。

不过，他们首先需要一种更好的酶。贝克汉姆微笑着说：“生命会找到出路的。”他引用了《侏罗纪公园》中的台词。不过，大自然还是需要一些帮助。因此，研究小组首先利用了进化的秘密：随机突变。有时，新的遗传密码会让生物体更适应环境，而微生物会将这种怪异的特性传给后代。不过，在实验室中，我们可以通过只给可能吃塑料的微生物喂食 PET 来加速进化。如果它们不坐下来吃饭，就会饿死。

该团队还试图通过将 PETase 基因注入比Ideonella更不挑剔的细菌中来创造新生命。贝克汉姆拿出一篇未发表的论文，翻看前后对比图。在将新突变体放入试管中四天后，一块打了孔的塑料变成了他所说的“一堆烂糊糊的垃圾”。这里的“垃圾”是指咀嚼过的塑料部件。

换句话说，这项努力正在奏效。贝克汉姆看着他的照片，笑了起来，回忆起团队第一篇论文发表时人们发给他的一个链接。它指向一本 1971 年的书，名为《突变 59：塑料吞噬者》 。在故事中，一种溶解聚合物的病毒接管了一切——摧毁了宇宙飞船、撞毁了飞机、击沉了潜艇，并在摧毁了世界上几乎所有的塑料的同时造成了无法控制的混乱。

非虚构研究人员计划让他们的工程生物留在实验室、试管中，并最终进入工业过程。这些生物甚至可能已经存在于外部，以传统方式进化。请记住，世界上有很多细菌会吃掉我们喜欢的许多其他东西：金属、面包、奶酪、我们自己的皮肤。而我们都还在这里，啃着面包和奶酪，坐在金属椅子上。鉴于微生物已经领先了数万年，它们还没有成功占领地球。所以，除非大自然以惊人的速度变得更好（花了大约 50 年的时间才制造出效率低下的 PETase 版本），或者有流氓演员发动政变，否则短期内不会有任何小动物毁掉你的沃尔玛皮划艇。

贝克汉姆确实更相信这样一种担忧，即消化过程中排出的碳最终会变成二氧化碳，这是一种导致气候变化的温室气体。但与其他行业产生的气体相比，任何增加的碳排放量都微不足道。他的组织既不希望世界因生物变暖而变暖，也不希望世界没有塑料。

相反，他们的目标是为回收大多数聚合物创造真正的经济激励。目前，回收出来的只是键较弱的 PET：用它制造另一个瓶子很有挑战性，而且它的价值约为原始塑料的 75%。它被制成纺织品或地毯。这些通常最终被填埋。

然而，生物分解塑料产生的成分可以成为凯夫拉等昂贵材料的前体，凯夫拉的售价是回收 PET 的两到三倍，用于制造滑雪板等抗压产品。这些材料为公司回收塑料提供了赚钱的理由。创新者甚至可能用它们来制造飞行能力更强的飞机、更高效的汽车，以及我们还没有想到的坚固、轻便的东西。这些东西也许有助于减少温室气体排放。

这个世界不会在明天或明年出现。但这是一个可预见的未来，通过梦之队的微生物或其他人的微生物以及大自然为聚合物野餐桌带来的任何东西合成。如果他们成功了，我们将能够与塑料共存，而不是堆积在一堆塑料之上。

本文最初发表于《大众科学》杂志 2019 年夏季刊《Make It Last》上。