【摘要】

成功地將酶和生物機(jī)械與聚合物連接起來，可以在塑料的制造、利用和處置過程中提供按需改性和/或可編程降解，但需要在具有大分子底物的固體基質(zhì)中進(jìn)行受控的生物催化。嵌入酶微粒會加速聚酯降解，但會損害宿主特性，并無意中加速了微塑料的形成，部分聚合物降解。

4月，加州大學(xué)伯克利分校華人學(xué)者徐婷教授團(tuán)隊(duì)表明，通過納米級分散具有深層活性位點(diǎn)的酶，半結(jié)晶聚酯可以主要通過具有可編程延遲和材料完整性的鏈端介導(dǎo)的持續(xù)解聚進(jìn)行降解，類似于聚腺苷酸化誘導(dǎo)的信使 RNA 衰變。通過設(shè)計(jì)酶-保護(hù)劑-聚合物復(fù)合物，使用具有表面暴露活性位點(diǎn)的酶來實(shí)現(xiàn)持續(xù)合成也是可行的。聚（己內(nèi)酯）和聚（乳酸）酶含量低于 2%（重量）可在數(shù)天內(nèi)解聚，在標(biāo)準(zhǔn)土壤堆肥和家用自來水中，聚合物到小分子的轉(zhuǎn)化率高達(dá) 98%，完全消除了當(dāng)前的需求在堆肥設(shè)施中分離和填埋他們的產(chǎn)品。

此外，嵌入聚烯烴中的氧化酶保持其活性。然而，烴類聚合物不像它們的聚酯對應(yīng)物那樣與酶緊密結(jié)合，并且產(chǎn)生的反應(yīng)性自由基不能對大分子主體進(jìn)行化學(xué)修飾。該研究為酶-聚合物配對和酶保護(hù)劑的選擇提供了分子指導(dǎo)，以調(diào)節(jié)底物選擇性和優(yōu)化生物催化途徑。結(jié)果還強(qiáng)調(diào)了對固態(tài)酶學(xué)進(jìn)行深入研究的必要性，特別是在多步酶促級聯(lián)中，以解決化學(xué)休眠的底物，而不會造成二次環(huán)境污染和/或生物安全問題。相關(guān)論文以題為Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes發(fā)表在《Nature》上。

主圖

圖 1：嵌入酶的生物催化降解聚合物。a、b，兩種降解途徑的示意圖：塑料表面侵蝕與隨機(jī)斷鏈（a）和鏈端結(jié)合介導(dǎo)的持續(xù)解聚，當(dāng)酶被納米限制為與聚合物鏈端共定位于無定形域時（b）。

納米分散脂肪酶加速PCL降解

圖 2：PCL-RHP-BC-脂肪酶的表征和降解。a，b，具有均勻分布的熒光標(biāo)記的 BC-脂肪酶（a）并與偏振光學(xué)顯微鏡圖像（b）重疊的薄膜的熒光顯微鏡圖像。c，透射電子顯微鏡(TEM)圖像顯示 RHP-脂肪酶在半結(jié)晶球晶中的摻入。d，RHP-BC-脂肪酶摻入前后PCL的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖顯示了拉伸試驗(yàn)之前（左）和之后（右）的 PCL-RHP-BC-脂肪酶狗骨樣品。e，PCL-RHP-BC-脂肪酶樣品的 SAXS 曲線，重量損失為 0、10、25%。插圖顯示了來自具有 50% 重量損失的樣品的橫截面掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。f，PCL-RHP-BC-脂肪酶在40 °C緩沖液中降解后形成的微塑料顆粒的熒光顯微鏡圖像。

用于連續(xù)解聚的酶-聚合物共混物的設(shè)計(jì)

圖 3：嵌入的 BC-脂肪酶通過鏈端介導(dǎo)的持續(xù)降解來解聚聚酯。a，PCL-RHP-BC-脂肪酶樣品的剩余質(zhì)量（藍(lán)色實(shí)心圓）和結(jié)晶度百分比（黑色空心圓）作為 37 °C 緩沖液中降解時間的函數(shù)。b，凝膠滲透 表面侵蝕和 BC-脂肪酶限制降解后 PCL 樣品的色譜 (GPC)。

RHP 調(diào)節(jié)酶穩(wěn)定性

圖 4：酶保護(hù)劑 (RHP) 與嵌入的酶相關(guān)聯(lián)，以在熔體加工和熱處理過程中保持活性以程序降解。a，熔融擠出的PCL-RHP-BC-脂肪酶長絲含有約 0.1wt%的脂肪酶，可在 40 °C 的緩沖液中在 36 小時內(nèi)幾乎完全轉(zhuǎn)化為小分子。b，通過熱處理對PCL-RHP-BC-脂肪酶降解進(jìn)行編程。c，通過降解溫度對 PCL-RHP-BC-脂肪酶降解進(jìn)行編程。d，RHP 可以調(diào)節(jié) PCL-BC-脂肪酶和 PLA-蛋白酶 K 中的解聚。e，含酶的 PCL（左）和 PLA（右）在 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)堆肥中很容易分解。

參考文獻(xiàn)：

doi.org/10.1038/s41586-021-03408-3