为解决这个世界难题，加州大学伯克利分校徐婷教授课题组研究表明，通过具有深度活性位点的纳米分散酶，半结晶聚酯可以主要通过链端介导的加工解聚来降解，具有可编程的延迟和材料完整性。通过工程酶-保护剂-聚合物复合物，用具有表面暴露活性位点的酶实现可加工性也是可行的。聚(己内酯)和聚(乳酸)含有不到2%重量百分比的酶，在几天内即可解聚，在标准土壤堆肥和家庭自来水中，高达98%的聚合物转化为小分子，完全消除了目前在堆肥设施中分离和填埋其产品的需要。此外，包埋在聚烯烃中的氧化酶保持其活性。然而，烃聚合物不像它们的聚酯对应物那样与酶紧密结合，并且产生的反应性自由基不能化学修饰大分子主体。这项研究为酶-聚合物配对和酶保护剂的选择提供了分子指导，以调节底物选择性和优化生物催化途径。研究结果还强调了对固态酶学进行深入研究的必要性，特别是在多步酶级联反应中，以解决化学休眠底物，而不产生二次环境污染和生物安全问题。这是塑料快速降解的历史性突破，将有效缓解塑料污染难题！相关研究工作以“Near-complete depolymerization of polyesters with nano-dispersed enzymes”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

徐婷教授是大连理工大学高分子化工专业92级校友，目前是美国加州大学伯克利分校材料科学与工程系和化学系教授，同时也担任清华大学清华-伯克利深圳学院精准医学与公共健康中心副主任、核心科学家。入选2018-2019年度Bakar学者项目，课题用于塑料可控降解的聚合物/酶复合物产业化。2009年被评为“美国国内撼动科学界的10大青年英才”之一。她每年会有几十天的时间在国内度过。在她眼中，这不仅是一份工作，更是回馈祖国教育事业的绝佳机会。作为一个中国人，她更明白如何以中华文化为基石，结合国内与国外实际，从办学、研究生教育、人才招聘等方面来辅助学院的建设。“有时，仅仅是跟学生们分享我的经验，都让我感到很开心，因为我知道，这些都会帮助到他们。”不管是在美国从事科学研究，还是在中国倾力教育事业，徐婷始终心怀一份大爱，一份让世界变得更好的温柔的心。

图1 用于聚合物降解的包埋酶生物催化

图2 PCL-RHP-BC-脂肪酶的表征及降解

热力学上，聚合物链构象有助于熵增益，从而有助于解聚的整体驱动力。在动力学上，局部聚合物链堆积影响节段迁移率和底物结合，从而引发并继续进行解聚。最后，必须考虑目标塑料的生物催化机理和类型。缩聚物如聚酯的降解可能只需要底物结合。鉴于其快速的市场增长，理解固态酶学可以对一次性塑料产生直接的技术影响。

为了实现链端介导的过程解聚，酶应该被纳米尺度地限制为与聚合物链端共存，排除中间片段到达催化位点，并且与剩余的链端具有吸引人的相互作用，以在不解离的情况下滑动聚合物链。随着不断的解聚，宿主降解，聚合物几乎完全转化为小分子，最终消除了高度结晶的微塑料颗粒。从动力学上讲，表观降解速率受益于底物穿梭，催化反应延迟可通过热处理和/或操作温度来调节。

图3 包埋细菌纤维素脂肪酶通过链端介导的过程降解来解聚聚酯

图4 酶保护剂与包埋的酶结合，在熔融加工和热处理过程中保持活性，防止降解

聚合物降解可以通过热处理进行编程。当BC-脂肪酶拉动跨越晶体片层的PCL的片段时，竞争力由链之间的多对相互作用控制，降解不应发生在临界片层厚度以上。事实上，在37℃的缓冲液中，具有较厚晶体片层(在49℃结晶)的PCL-RHP-BC-脂肪酶膜在3个月内降解可以忽略不计，而具有较薄晶体片层(在20℃结晶)的膜在24小时内降解超过95%。这种对薄层厚度的依赖性被用来在同一薄膜内空间上改变降解(图4b)。使用钙-脂肪酶的对照实验显示不依赖于热处理或薄层厚度，正如随机断裂途径所预期的那样。操作温度是编程降级延迟的另一个因素。结晶链段与酶结合的构象熵损失比完全无定形链低得多。酶结合的高熵损失超过了增加的链迁移率的影响，导致在较高温度(> 43℃)下降解速率的大幅度降低(图4c)，并且最终在熔融状态(> 60℃)下PCL降解最小，尽管对小分子底物的酶活性较高。这些结果与长期以来的观点相反，即结晶度减缓了合成聚合物和天然聚合物的酶促降解，并使链端介导的加工解聚的应用能够确保在熔融加工和长期储存期间的催化反应时间和聚合物完整性。

塑料虽是我们生活中所不可或缺的一部分，但在其给我们带来方便快捷的同时，也给我们带来了很多环境问题。由于塑料的不可降解性和顽固性，塑料垃圾会对环境造成严重的威胁。人类发明第一块塑料是在1862年，意味着什么？这意味着人类发明的第一块塑料想要完全降解还需要至少140多年。而且，今天的这一问题正在快速积累。目前，城市固体废物（MSW）的产生量约为每年20亿吨，预计到2025年全球将增加至30亿吨。其中，塑料垃圾占到MSW的12%。在所有塑料垃圾中，聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)类占总塑料垃圾的70%。目前科学家们也在深入研究加快塑料降解的方法以及研究塑料的替代品。无论是科学家徐婷，还是教师徐婷，一直以来她都以回报社会、有益世界作为她工作的初心和原点。“科学研究的最终目的，还是为了帮助人们改善生活。”近些年来，徐婷一直致力于环境保护和公共健康领域的基础性研究，希望通过自己的努力，提升人类整体的生活水平和质量。“当我看到每天都有人因健康和环境问题备受困扰时，我总想做些什么。”为徐婷教授点赞！期待未来取得更多突破，早日彻底解决白色污染问题！

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03408-3

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