2017年BSCB写作奖

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。但当我们用完它们后,它们会停留很长时间,需要几十年才能分解。

这些耐久的塑料不仅在城市中制造垃圾,填埋垃圾。它们对野生动物是有害的,特别是在海洋里,动物可能会被塑料缠住或误认为食物。单个塑料的危害可能会持续很长时间,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,它是由漂浮的小塑料碎片分解成越来越小的碎片,但还没有完全降解。研究人员称,从那里提取的海水就像一个装满塑料碎片的“雪花玻璃球”。尽管我们正在开发可生物降解塑料,回收利用也在不断增加,但如何处理堆积起来的垃圾仍是一个问题。

解决这个问题的一种方法是从大自然中提示。植物也在数亿年前令人难以置信的坚固的材料。当植物从水基生物中的生物中的生活在陆地上,它们有很多新的问题,以适应:在空气中干燥,耐受阳光的紫外线,并抵消重力。为了能够长大,他们进化了一种新的材料 - 木质素。木质素嵌入围绕植物细胞的墙壁中并使其刚性,并通过强键保持在一起,使其抵抗降解。在木质素的演变时,没有生物可能会分开它。那么为什么我们没有被堆的未分解树包围?

这要感谢细菌和真菌。具体来说,就是那些能够反进化分解木质素的物质。大多数情况下,这一工作是由真菌完成的,即白腐。细胞产生一种叫做酶的蛋白质,这种酶可以帮助分子聚集或分解分子。例如,正是乳糖酶将我们喝的牛奶中的乳糖分解成我们可以吸收为能量的部分。同样,真菌能够分解木质素以获取植物中储存的食物也是有用的。在这种强大的选择压力下,一种具有甚至可以部分分解木质素的酶的真菌会得到更多的食物并茁壮成长。出现的每一个变化,只要是改善这种酶的一小步,都将是真菌的优势。最终,它们进化出了一种特殊类型的过氧化物酶,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,然后真菌弄清楚如何消化它 - 我们可以用塑料做同样的事情吗?尽管目前没有能够有效地分解塑料的已知生物,但也有办法搜索那些。科学家测试已经已知的细菌和真菌,以获得塑料的能力。他们还尝试通过筛选慢慢降解塑料周围的生物来找到新的候选人,以确定哪一个实际上负责破坏塑料。

我们已经发现了以这种方式降解塑料的细菌和真菌,但它们在分解木质素方面远不如白腐菌高效。这可能是因为生物体适应这种新物质的时间很短,类似于真菌酶从效率较低的酶进化而来的过程。从木质素的进化到能够迅速彻底降解木质素的生物进化,存在着数百万年的滞后。

我们可没那么多时间。因此,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,我们可以主动在酶中创造微小的差异,使它们更好,然后直接测试这些略有不同的酶降解塑料的能力。

通过这种类型的生物技术,我们可以利用我们周围的生物细胞作为资源,并从它们的进化史中吸取教训。通过利用自然系统的智慧,我们可以解决我们的塑料问题。

引用:

1.海洋垃圾区的污物。《科学》328.5985(2010):1506。网络。

关于作者:马西娅是剑桥大学生理、发展和神经科学学系的博士生,她的同事是安吉琳·弗莱明和罗杰·凯恩斯。她正在以斑马鱼为模型系统研究脊柱是如何发育的,并对进化和发育有广泛的兴趣。