打破牢不可破:解决塑料和植物的问题

我们对塑料上瘾了。从食品包装到智能手机，它们无处不在。但当我们处理完它们后，它们会停留很长时间，需要几十年才能分解……

这些坚硬的塑料不仅在城市里制造垃圾，填满垃圾填埋场。它们对野生动物有害，特别是在海洋中，动物可能会被塑料缠住或误以为是食物。一块塑料造成的破坏可能是持久的，因为它需要很长时间才能降解。一个显著的例子是太平洋垃圾带，它是由漂浮的塑料碎片形成的，这些塑料碎片被分解成越来越小的碎片，但还没有完全降解。研究人员称，从那里提取的海水看起来就像一个由塑料碎片组成的“雪花玻璃球”¹。尽管我们正在开发可生物降解的塑料，回收利用也在增加，但如何处理已经堆积起来的垃圾仍然是一个问题，这些垃圾已经累积到地球上每个人的数百件塑料制品。

解决这个问题的一个方法就是从大自然中获得启示。数亿年前，植物进化出了它们自己难以置信的坚固材料。当它们从以水为基础的生存方式适应陆地生活时，它们有许多新的问题需要克服:在空气中变干，抵抗阳光中的紫外线(UV)，以及抵消重力。为了能够向上生长，它们进化出了一种新的材料——木质素。木质素嵌入植物细胞周围的细胞壁，使其具有刚性;它通过牢固的键结合在一起，所以它能抵抗降解。当木质素最初进化的时候，没有任何生物可以将其分解。那为什么我们周围没有成堆未腐烂的树木呢?

我们要感谢细菌和真菌。具体来说，是那些反进化的能够分解木质素的物种。这项工作主要是由一种叫做“白腐病”的真菌完成的。细胞产生一种叫做酶的蛋白质，这种蛋白质可以帮助分子聚集或分解。例如，正是乳糖酶把我们喝的牛奶中的乳糖分解成我们可以吸收的部分作为能量。同样，真菌能够分解木质素以获取植物中储存的食物也是很有用的。在这种强大的选择压力下，拥有一种甚至可以部分分解木质素的酶的真菌将获得更多的食物并茁壮成长。出现的每一个变化都是朝着改善这种酶迈出的一小步，这对真菌来说都是一种优势。最终，它们进化出了一种特殊形式的过氧化物酶，这种酶特别擅长使用反应性化学物质来攻击木质素结构。

所以，植物发明了一种坚不可摧的材料，然后真菌想出了如何消化它。那么我们是否也可以对塑料做同样的事情呢?尽管目前还没有已知的生物可以有效地分解塑料，但有很多方法可以找到这样的生物。科学家们测试了已知细菌和真菌降解塑料的能力。他们还试图通过筛选从含有缓慢降解塑料的地方回收的生物来寻找新的候选者，以确定哪一种生物真正负责将塑料分解。

用这种方法已经发现了塑料降解细菌和真菌，但它们在分解木质素方面的效率远不及白腐菌。例如，吉田和他的同事从一个瓶子回收站采集了水和土壤样本，看看是否有细菌或真菌可以降解塑料。2016年，他们发表了一种新的细菌，Ideonella sakaiensis201-F6，它携带一种酶，可以将塑料分解成对环境无害的部分²。这种酶被命名为PET酶，因为它能降解一种叫做PET的塑料。然而，PETase的效率并不高。这可能是因为生物适应这种新材料的时间很短，类似于真菌酶必须从效率较低的酶进化而来。在木质素的进化和能够彻底而迅速地降解它的生物的进化之间，存在着数百万年的滞后。

我们没有这么多时间。科学家可以通过定向进化来加速这一过程。虽然自然进化依赖于随机突变的出现，但在定向进化中，我们可以积极地在酶中创造微小的差异，使它们变得更好，然后直接测试这些略有不同的酶降解塑料的能力。今年，研究人员对低效的PETase酶进行了微小的改变，创造出一种能够更快地降解塑料的突变酶^3.。这只是一个小小的改进，但它表明我们可以在实验室中对现有的酶进行改变，以找到一种有效的降解塑料的方法。

有了这种生物技术，我们可以利用我们周围生物的细胞作为一种资源，并从它们的进化史中吸取教训。通过利用自然系统的聪明才智，也许我们可以解决塑料问题……

这篇文章获得了2017年英国细胞生物学学会科学写作奖