BESA THURSDAY 比薩攝食日(三十四) 世紀垃圾問題有解? 可以分解寶特瓶的酵素

撰文/ 蔡為明

編輯/ 吳雨靜

製圖/ 陳芸萱

環保一直是二十一世紀無可迴避的重大課題之一，從人們對於桃園大潭藻礁的爭議關注可見一斑。2017年英國〈衛報〉報導全世界每分鐘有一百萬個寶特瓶被使用 [1]，縱使寶特瓶的回收率高，但回收速度遠遠比不上使用速度。2016年，在日本發現了一種菌——大阪堺菌 (Ideonella sakaiensis) 所產生的酵素PETase 與 MHETase 能夠將 PET 分解為TPA ( terephthalic acid) 與EG (ethylene glycol)。

什麼是PET？

聚對苯二甲酸乙二酯 (polyethylene terephthalate) ，簡稱PET，是人工合成的為熱塑性聚酯纖維，由單體對苯二甲酸與乙二醇經過高溫與酵素催化聚合而成。PET在台灣也被稱為達克綸，除了用於製作寶特瓶、光碟上的薄膜外，亦能製作成紡織品，為現今最常被回收使用且再利用性最高的塑膠 [2]，因為PET重複出現的苯環結構使其擁有堅韌、不易起皺的特性，與其他較柔軟的紡織材料例如羊毛、棉花等天然纖維混合，可增加紡織品的強度與韌性[2]，但其穩定的結構同時使其難以自然分解。

大阪堺菌 (Ideonella sakaiensis)

I. sakaiensis為格蘭氏陰性菌，是好氧的桿菌，屬於β-變形菌綱 (Betaproteobacteria) 。2016年，京都大學副教授 Shosuke Yoshida 與 RITE副主席研究員 Kazumi Hiraga 在日本堺市的 PET 碎屑汙染物中發現， I. sakaiensis 能分解PET ，進一步代謝後可做為菌叢的碳來源與能量來源 [3]。

分解過程發生了甚麼？[4]

I. sakaiensis分解 PET 需要兩個酵素的配合才能完成，其一是 PETase ，其二是 MHETase 。

PETase 是一種類角質酶的絲胺酸水解酶 (Cutinase-like serine hydrolase) ，它先將 PET 分解為 BHET (bis-(hydroxyethyl) terephthalate) 、 MHET (mono(2-hydroxyethyl) terephthalate) 與 TPA 。接著 BHET會由PETase 分解為 MHET 與 EG ，而水溶的MHET會再被 MHETase 水解為 TPA 與 EG (圖一)。

圖一 PET 分解過程

MHETase 的作用機轉類似絲胺酸水解酶，催化一個兩步反應，第一步是醯化反應，使 MHET 與酵素以醯基結合形成醯基-酵素中間產物 (acyl-enzyme intermediate, AEI) (圖二 A-C) 。第二步是水解作用，最後釋放出去醯化的產物 (圖二 D-E) 。醯化反應中，催化劑上的絲胺酸 (Ser225) 被圖 B 右下角化合物上的 His528 去質子化，成為親核基攻擊 MHET上羰基的碳，釋放出 EG 與 AEI 。接著 AEI 會經去醯基化作用，與催化劑、 His528 分離得到 TPA 。

兩位學者的發現為解決大量塑膠產生的環境問題帶來一線曙光，現今對兩種酵素的了解都不到非常透徹，研究大多集中在 PETase 上而較少關注 MHETase ，然而兩個酵素對於 PET 的分解都必不可少。期待不久的未來，科學家能透過 I. sakaiensis 應對 PET 的方法，找出處理大量難以分解的塑膠廢棄物的解決之道。