【微生物】能分解塑膠的細菌找到了!

■在堆積如山、滿坑滿谷的塑膠垃圾裡,會不會有生命能自己找到出路呢?

from http://www.pbs.org/. Photo courtesy of Kohei Oda
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撰文|駱宛琳

塑膠在我們生活裡隨處可見,大部分都被拿來當做包裝素材 。這些「塑膠」雖造就了便利的生活,但大量的塑膠廢棄物,經年累月後卻成了令人頭痛的麻煩。雖然資源回收漸漸成為大家生活裡的一部份,但塑膠類的回收率經粗估計也只有約一成多。近年來,愈來愈多種可以被環境生物分解的材料相繼問世,但對於已製造出來的大量塑膠仍然莫可奈何。

聚乙烯對苯二甲酸酯(Polyethylene terephthalate,PET)是很常見、且被廣泛運用的塑膠,年產量大約是五千萬噸。像是擺滿便利商店飲料櫃的寶特瓶,都是PET塑膠製品。PET跟其他種聚酯類塑膠一樣,由單體兩兩經酯鍵聚合而成;看似簡單,但要分解其中的酯鍵卻是難如登天 。

但生命是不是真的會自己找到出路呢?日本慶應大學宮本憲二教授、與京都工藝纖維大學的小田耕平教授,在寶特瓶回收場的底泥、濕土、廢水,或是富含腐殖質的活性污泥裡,採集了兩百五十個混有寶特瓶殘骸的環境樣本。宮本與小田教授把這些環境採樣培養在PET塑膠薄膜上,想要看看是不是有微生物可以利用PET塑膠來當作主要、且唯一的碳源,單靠分解PET塑膠來產生能量,推動細胞內代謝、合成反應。

而編號第46號的採樣樣本,果真讓培養用的PET塑膠薄膜產生形態上的改變!初步分析發現第46號檢體是個小小世界,有細菌、有像酵母菌的生物,還有原生生物;那到底是誰是幕後的魔法師呢?宮本與小田教授的團隊於是將第46號採樣檢體稀釋再稀釋,然後分別培養在PET塑膠薄膜上。在經過一系列的稀釋之後,研究人員可以將不同的微生物物種分散開,讓單一PET塑膠的培養薄膜上只有一種微生物。經過這個方法,研究人員成功分離出可以分解PET塑膠的細菌菌種!

宮本與小田教授發現,這是一種新細菌,是叢毛單胞菌科、艾德昂菌屬(Ideonella)底下的新菌種。因為在堺市(Sakai)發現,他們決定將這株「愛吃」PET塑膠的細菌叫做Ideonella Sakaiensis
I. Sakaiensis菌好氧,是格蘭氏陰性菌;養在PET塑膠薄膜上的時候,在培養溫度30oC下,大概六個禮拜的時間,I. Sakaiensis就能夠將PET塑膠薄膜幾乎分解地乾乾淨淨。研究人員將I. Sakaiensis的基因體定序之後,發現它帶有一種脂肪酶,很可能正是它能夠分解PET塑膠的關鍵!

於是,研究人員根據定序結果所得到的基因序列,將這個脂肪酶以重組蛋白質的方式表現、分離出來,然後測試此脂肪酶分解PET塑膠薄膜的能力。果然,I. Sakaiensis的脂肪酶重組蛋白,在30oC的反應溫度下,能夠將PET塑膠聚合物分解成中間產物MHET(Mono(2-hydroxyethyl) terephthalic acid)的單體。研究人員決定把這個脂肪酶命名為「PET水解酶」,簡寫為PETase。而把PET塑膠分解成MHET對I. Sakaiensis有什麼好處呢?

I. Sakaiensis來說,PET塑膠的聚合物太龐大。比I. Sakaiensis菌體還要龐大的PET聚合物,讓I. Sakaiensis沒有辦法直接把PET「吞」進去。但在PET聚合物被PET水解酶分解為分子比較小的MHET之後,I. Sakaiensis就可以吸收MHET到細胞內。MHET利用它特有的MHET水解酶(MHETase),分解為乙二醇(Ethylene glycol)和對苯二甲酸(Terephthalic acid),產生的能量就能夠用做菌體生長所需。

I. Sakaiensis菌帶有的PET水解酶,其胺基酸序列跟在垃圾堆裡常發現的一種嗜高溫放射線菌Thermobifida Fusca所表現的水解酶,有百分之五十的相似度。而T. Fusca表現的水解酶(TfH),之前被發現有些微水解PET塑膠的能力。研究人員把PET水解酶,和T. Fusca表現的水解酶TfH比一比之後,發現這兩個酵素對受質的專一性大大不同,而PET水解酶分解PET塑膠的能力,是TfH的四百倍!

雖然,想要以I. Sakaiensis這個新發現的細菌來處理已經滿坑滿谷的塑膠垃圾,可能還是太過緩慢而無濟於事。但I. Sakaiensis菌所表現的PET水解酶跟MHET水解酶,卻在如何才能將PET塑膠分解這個讓人抓破頭的問題裡,提供了最佳解答,讓研究人員能好好利用這個寶貴又難得的新知識,想想要如何解決塑膠垃圾這個大問題!但大家也別忘了,最有效的方法,還是減少使用塑膠產品喔!

原始論文:Yoshida S, Hiraga K, Takehana T, Taniguchi I, Yamaji H, Maeda Y, Toyohara K, Miyamoto K, Kimura Y, Oda K. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science. 2016 Mar 11;351(6278):1196-9. doi: 10.1126/science.aad6359. PMID: 26965627

參考資料:

  1. Bornscheuer UT. Feeding on plastic. Science. 2016 Mar 11;351(6278):1154-5. doi: 10.1126/science.aaf2853. No abstract available. PMID: 26965614
  2. Wigginton NS. Some bacteria think plastic is fantastic. Science. 11 Mar 2016: Vol. 351, Issue 6278, pp. 1162. DOI: 10.1126/science.351.6278.1162-a

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作者:駱宛琳 美國聖路易華盛頓大學(Washington University in St. Louis)免疫學博士,從事T細胞發育與活化相關的訊息傳導研究。

 

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