分子生物学家克里斯托弗·约翰逊不久前在一次聚会上与另一位客人谈论他的研究，就像科学家们经常做的那样。约翰逊致力于分解塑料，而塑料往往对此类物质具有很强的抵抗力。
他当时正在参加一个婚礼前的晚宴，与他交谈的女士回答说，她对整个情况感到不知所措——绝望——我们似乎无法停止使用塑料，它们堆满了垃圾填埋场，它们的微粒渗透到海洋中。
不知所措，约翰逊想。绝望。
“我离那种观点还有十万八千里，”约翰逊回忆起他的反应时说。
那是因为约翰逊不是被动地受塑料影响。他主动去影响塑料。约翰逊是国家可再生能源实验室的研究科学家，在过去的一年里，他和他的同事们创造了一种生物酶，这种酶可以有效地分解一次性塑料，如制作瓶装水和肥皂盒的塑料。该团队乐观地认为，他们可以创造一个世界，人类可以继续使用这种过剩的材料——而不会被它彻底或形象地压垮。在这个世界里，作为更广泛、更强大的回收系统的一部分，微生物将把聚合物分解成它们的化学成分，这样它们就可以作为新的、更好的产品来盈利。
目前，从化学意义上讲，回收并不能真正将塑料变成任何东西：它只是将废料磨成更小的碎片，就像将纸张撕成条。然后，制造商将这些碎片重新加工成质量较低的塑料。在该领域的说法中，在基于生物的回收中，食塑微生物会给你提供制造新材料，并最终制造商品的构件。
约翰逊的团队尤其引起了公众的想象力，因为他们的发现是偶然的，并且构成了一个精彩的故事。怀疑论者担心这项努力可能会适得其反——失控的转基因生物可能会开始吞噬错误的聚合物。比如你汽车的仪表盘。在你开车的时候。这是一种极其不可能发生的情况，但也并非完全没有道理。
毕竟，所有这些塑料垃圾本身就是一种意想不到的后果。这种合成材料的出现，部分原因是为了替代象牙，以拯救大象免遭屠杀。但这项创新也让我们走到了今天：不知所措和绝望。人类每年生产的塑料量——超过3亿吨——大约是所有人口总和的五倍。
我们现代聚合物中的大部分只使用一次：在瓶装水、洗发水瓶、牛奶瓶、薯片袋、购物袋、咖啡搅拌棒中。每年，近900万吨的垃圾最终流入海洋。你可能听说过太平洋垃圾带：这是海洋北半部一个被洋流聚集了所有垃圾的区域。但你知道吗，到2050年，公海上的塑料可能比鱼还多？
文明并没有很好地处理自己的后果，部分原因在于，约翰逊和他的团队认为，从来没有一个强大的经济激励来这样做。但如果你能将这些塑料构件组装成比原始材料更有价值的东西——比如汽车零部件、风力涡轮机，甚至冲浪板——你就能改变回收的计算方式。企业可以通过为世界做好事来为自己谋利。
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偶然发现的酶的团队大部分成员在科罗拉多州戈尔登的国家可再生能源实验室工作。校园依偎在落基山脉的山麓，山麓从荒凉之处迅速爬升到14000英尺的高峰。太阳能电池板几乎覆盖了所有建筑物的屋顶。在该团队工作的实地试验实验室大楼内，管道上的ROYGBIV彩色光谱沿着天花板和墙壁延伸。满是冰箱、培养箱和高功率显微镜的实验室在门禁卡的入口后面嗡嗡作响。在一个底层的小会议室里，一个屏幕阵列照亮了四位科学家。
他们以及在佛罗里达州、英国和巴西的同事们，共同组成了这个特定的生物基回收研究的“梦之队”：尼古拉斯·罗瑞尔（Nicholas Rorrer）负责聚合物的生产。格雷格·贝克汉姆（Gregg Beckham）试图弄清楚细菌和真菌化学物质如何分解纤维素等化合物，纤维素是植物细胞壁和许多蔬菜的主要成分。拜伦·多诺霍（Bryon Donohoe）研究含有聚合物降解酶的细胞是如何工作的。约翰逊则负责设计分泌这些酶的新型细胞。这些专业领域对于探索细菌如何吞噬塑料以及如何操纵它们成为更高效的“零食爱好者”至关重要。
在他们身后的一个屏幕上，一种酶在纤维素的近景图上滑行，吞噬独立的链条，并将它们吐出作为糖块——这是极致的“得来速”进食体验。科学家们说，这种模拟与聚合物遇到它的“克星”的方式相同。
该团队首次了解到这个概念是在2016年3月出版的《科学》杂志上，该杂志报道了日本研究人员在日本堺市一家塑料瓶回收厂附近的土壤样本中发现了一种奇怪的细菌。这种细菌能够分解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），这是一种制造商广泛用于制造塑料瓶和容器的材料。由庆应大学生物科学家 Kenji Miyamoto 领导的一个团队发现，这种生物分泌出一种名为 PETase 的酶，可以将聚合物分解成化学碎片。他们根据其发现地命名这种惊人的生物为Ideonella sakaiensis。不过，并非贬低Ideonella，但它的效率不够高：在六周和热带温度下，它只能分解一层PET薄膜。这远非高效回收工厂所需的。此外，要使其生长还需要一些细致的照料和喂养。
期刊文章发表后不久，贝克汉姆发现自己正在英国，与朴茨茅斯大学的约翰·麦基汉（John McGeehan）一起喝啤酒。麦基汉是纤维素研究的同事，也是绘制微小酶结构的专家。他们开始集思广益，如何联手更好地理解 PETase 是如何消化 PET 的。毕竟，他们的工作已经涉及自然界如何降解自然物质——例如，细菌和真菌如何利用酶消化纤维素。也许这项工作可以帮助他们理解自然界如何分解合成物质。
在他们喝啤酒畅谈之后，两人招募了约翰逊、多诺霍和罗瑞尔，以及另一位在佛罗里达州的同事李·伍德科克（Lee Woodcock），他拥有复杂的计算机模型来模拟细胞化学物质的工作原理。然后，他们就开始了。
首先，团队需要了解 PETase 是如何分解其选择的塑料的。聚合物中的分子就像连接在一起的乐高积木，可以轻易地拆开。对于 PET 来说，PETase 就是那个“拆解者”。但为了理解 PETase 如何抓住并扭曲塑料分子，团队需要足够的酶来绘制其结构。
这正是约翰逊的细胞专业知识派上用场的地方。他们与一家外部公司合作，合成了产生 PETase 的基因，以便以后将其植入大肠杆菌（E. coli）中，这是一种单细胞生物，在实验室中生长迅速且容易。他将基因代码通过海上发送到麦基汉的实验室。在那里，经过改造的“食物中毒者”获得了一些“食物”，并开始大量产生 PETase。
麦基汉将 PETase 酶带到一个拥有超强X射线显微镜的设施，该显微镜利用比太阳强100亿倍的光来探测样本并生成原子尺度的图像。在奇特的显微镜中，超导磁体引导X射线，直到科学家们能够看到 PETase 本身——而不仅仅是它产生粘液的效果。
从肉眼看，这种酶看起来像是海绵和人脑的结合体。或者，如果你是一个非常幸运的生物学家，它看起来几乎和角质酶（cutinase）一模一样，角质酶是切割角质（cutin）的“切割器”，角质是一种覆盖许多植物的蜡状聚合物。角质酶有一个狭窄的U形凹槽，可以精确地卡入角质。PETase 也有同样的U形，只是更宽，有点像哈哈镜里的角质酶。PETase 的U形凹槽卡入 PET，就像 BFF 项链的两半。
当时，贝克汉姆心想：“这简直是显而易见的：这种酶最初是为了吃角质而进化的，显然是在如此多的垃圾存在的情况下适应了，以至于有了新的最爱食物。”
掌握了形态、功能和进化理念后，团队于2017年10月提交了论文。但起源故事——他们最喜欢的部分——却存在问题。“我们的一个审稿人说：‘不，你必须证明这一点’，”贝克汉姆回忆道。
他想象着：“这将是一项糟糕的活动。” 他觉得角质酶进化成 PETase 是显而易见的。但要证明这一点，他们必须追溯进化历程，将宽大的 PETase U 形缩小到微小的角质酶 U 形，并在此过程中，他们认为，会使其无法，或者至少不太能够咀嚼塑料。然后他们将反向操作，将角质酶变回 PETase，展示一个如何变成另一个。
贝克汉姆将不得不“吃掉”（并消化）这些话。
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团队在2017年底开始了实验的第一部分，将 PETase 变回角质酶。首先，他们调整了产生 PETase 酶的 DNA。具体来说，他们突变了两个氨基酸，使其替换物挤压成U形，从而产生一种更接近角质酶的酶。至于罗瑞尔——那个搞聚合物的家伙——他开始从同事那里收集瓶子，包括他们最喜欢的品牌，如健怡可乐和健怡胡椒博士。（如今，这些废弃物仍然堆在他的隔间顶上。）他用普通的办公室打孔器剪出圆圈。然后，他将这些圆圈放在靠近改造后的酶的版本的地方，期望他回来时会发现酶几乎没有进展，甚至完全没有进展。
但事与愿违。当罗瑞尔四天后回来时，他发现经过改造的酶不仅在工作，而且比堺市回收厂的 PETase 的效率高出了大约30%。团队成员开始怀疑自己。罗瑞尔心想：“也许我把样本标签弄错了。” 多诺霍，那个擅长细胞分解的专家，怀疑他们混淆了样本。他们又重复了两次实验，但结果依然如此：新酶的食欲非常好。多诺霍回忆道：“我说，‘好吧，我们得相信它，尽管我不知道为什么。’”
这个结果仍然没有解决 PETase 是否是以团队推测的“哦，当然”的方式从角质酶演变而来的问题。但出乎意料的结果仍然是个好消息：这意味着他们可以改进自然已经创造出来的东西。“大自然不一定找到了最终的解决方案，”化学工程师贝克汉姆说。
当他们在2018年4月宣布这一发现时，人们热衷于其“意外”之处。约翰·麦基汉从格温妮丝·帕特洛（Gwyneth Paltrow）的伪科学健康品牌 Goop 获得了一个奖项。他试图拒绝，但你无法拒绝格温妮丝·帕特洛。但对这个团队来说，出名还不够。改进一点点 PETase 也不够。“这里可能还有很大的改进空间，”贝克汉姆说。
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Ideonella sakaiensis，事实上，远非唯一能够以塑料废物为燃料的生物。“细菌可能会进化成吃掉它们周围的一切，”基因工程师约翰逊说。生物学家们几十年来都知道，现有的酶，如微生物和真菌分泌的所谓的酯酶，可以分解 PET 和尼龙。
苏黎世湖中漂浮的塑料携带四种能够利用聚氨酯的生物。在海洋中，印度的研究人员发现了能够降解聚乙烯醇的细菌物种，聚乙烯醇用于防水纸张。另一组发现了一种真菌，其角质酶也能分解 PET。然而，目前，这些生物中的任何一个都无法以足够快的速度在规模上吞噬，以至于对工业有用。每年生产超过3亿吨塑料，微生物需要每天吞噬大约906,000吨才能完成这项工作。用四天时间溶解一个健怡胡椒博士瓶的表面还不够快。
在寻找更好的聚合物分解者时，这个“梦之队”最近从蒙大拿州立大学招募了新成员，他们研究黄石公园色彩斑斓的温泉中沸腾的极端微生物。那些在温泉里拍照的游客会扔下很多垃圾。在这样的高温下——有时超过400华氏度——塑料会融化。
对细菌来说，吞噬过热的垃圾就像服用兴奋剂：一切都发生得更快。如果科学家们能找到一种极端微生物，或者工程化一种，喜欢高温并且能吃 PET，那么他们就离一个足够快的、能在现实世界中发挥作用的工艺更近了一步。
在这种情况下，未来的回收厂会加热或切割塑料，然后将其放入一个大锅中，加入热水，并撒上一些 PETase（或其他贪吃的酶）。这将产生一锅多音节成分：对苯二甲酸和乙二醇，这是公司可以纺成更坚固、更高价值的聚合物的材料。
但首先，他们需要一种更好的酶。“生命会找到出路，”贝克汉姆笑着说，他引用了《侏罗纪公园》中的话。尽管如此，大自然还是需要帮助。所以团队开始利用进化的秘密：随机突变。有时，新的遗传密码会使生物体更适合其环境，并且微生物会存活下来并将这种“怪异”传递给后代。然而，在实验室里，我们可以加速进化，比如只给那些想吃塑料的生物喂食 PET。如果它们不吃饭，就会饿死。
该团队还试图通过将 PETase 基因注入一种比Ideonella“不那么挑剔”的细菌来创造新的生命。贝克汉姆调出一个未发布的论文，滚动到前后对比照片。在试管中与一种新的突变体接触四天后，一点打孔过的塑料变成了他所谓的“一团乱七八糟的混合物”。“乱七八糟”在这里指的是被咀嚼过的塑料碎片。
换句话说，这项工作正在进行中。当贝克汉姆看着他的照片时，他笑了，并回忆起团队第一篇论文发表时人们发给他的一个链接。它指向一本1971年的书，书名叫Mutant 59: The Plastic-Eaters。故事讲述了一种分解聚合物的病毒失控——摧毁宇宙飞船，撞毁飞机，击沉潜艇，并在摧毁世界上几乎所有塑料的过程中造成普遍的混乱。
非虚构的研究人员计划让他们的工程生物留在实验室、试管中，最终进入工业流程。这些生物甚至可能已经存在于外部，是通过老式方式进化而来的。请记住，世界上有许多我们喜爱的细菌：金属、面包、奶酪、我们自己的皮肤。我们仍然在这里，啃着面包和奶酪，坐在金属椅子上。有了亿万年的先机，微生物还没有成功接管。因此，除非大自然以惊人的速度变得更好（制造低效版 PETase 花了大约50年），或者有不法分子发动政变，否则任何微小的生物都无法在短期内吞噬你的沃尔玛皮划艇。
贝克汉姆确实更倾向于一种担忧，即消化过程中产生的碳最终会变成二氧化碳，这是一种导致气候变化的温室气体。但任何增加的量都会被其他工业产生的气体所淹没。他的团队既不想要一个生物加热的世界，也不想要一个没有塑料的世界。
相反，他们旨在为回收大多数聚合物创造真正的经济激励。现在，回收结束时产生的是债券较弱的 PET：用它制造另一个瓶子很困难，它的价值大约是原始塑料的75%。它被用于纺织品或地毯。这些最终通常会进入垃圾填埋场。
然而，生物分解塑料会产生可以成为凯夫拉（Kevlar）等高价材料前体的成分，凯夫拉的售价是回收 PET 的两到三倍，并用于制造滑雪板等抗应力产品。这些材料为公司提供了经济上的理由来回收塑料。创新者甚至可能用它们来制造更轻便的飞机、更高效的汽车，以及我们尚未想到的坚固、轻便的东西。也许能为减少温室气体排放做出贡献的东西。
这个世界不会在明天或明年出现。但这是一个可预见的未来，通过“梦之队”的微生物，或其他的微生物，以及大自然为聚合物盛宴带来的任何东西而合成。如果他们成功了，我们将能够与塑料共存，而不是被它们淹没。
本文最初发表于《大众科学》2019 年夏季“持久耐用”特刊。
