最快二十四小時內(nèi)完全降解塑料！德克薩斯大學(xué)團隊通過機器學(xué)習(xí)開發(fā)全新PET水解酶

塑料袋可以說經(jīng)歷了從人類“最偉大的發(fā)明之一”到“最糟糕發(fā)明”的一個過程。最初，塑料袋因輕便、實用且便宜的特點出現(xiàn)在生活中的各個地方，然而無節(jié)制的使用卻使其變成了令人頭疼的“白色污染”。近年來，一次性塑料用品在市面上的盛行更加重了塑料的泛濫使用現(xiàn)象。

據(jù)了解，全球每年的塑料總產(chǎn)量在3億噸以上，而最終被回收再利用的塑料量不足10%。那些被廢棄的塑料變成微塑料、纖維和塑料碎片等，在各處散落，使得當?shù)氐耐寥琅c水源都受到了污染，帶來嚴峻的生態(tài)挑戰(zhàn)。因此，如何緩解日益嚴重的塑料廢物，成為當下的一大難題。

酶降解為塑料廢物的回收再利用提供了一種綠色環(huán)保且可擴展的有效途徑。過去十多年里，有不少針對塑料降解酶的研究取得了多方面的進步。但是這些研究中尚存在一個未能破解的問題，即如何使塑料降解酶在低溫下有效發(fā)揮作用，以實現(xiàn)其大規(guī)模工業(yè)場景下的低成本投放。

近日，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分?；瘜W(xué)工程系的哈爾·阿爾珀教授團隊，使用基于結(jié)構(gòu)的機器學(xué)習(xí)算法開發(fā)出一種活躍的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）水解酶FAST-PETase，該水解酶可以在幾天、甚至幾小時內(nèi)完全降解之前幾個世紀才能被處理掉的PET類塑料。該研究為塑料的大規(guī)?；厥蘸驮倮脦砹诵碌目尚蟹桨福型蠓档铜h(huán)境污染并推動循環(huán)碳經(jīng)濟的實現(xiàn)。

相關(guān)論文以《PET解聚水解酶的機器學(xué)習(xí)輔助工程》為題發(fā)表。

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PET是現(xiàn)在世界上使用最廣泛的塑料之一，被用于礦泉水、飲料、日用品、零食和各種家用電器等商品的外包裝中，占到全球塑料消費總量的6%。

此前，有不少科學(xué)家提出能降解PET的酶。2020年，來自法國圖盧茲大學(xué)的研究團隊更是開發(fā)了一種能夠在10小時內(nèi)降解完成大部分PET塑料的新型水解酶，該水解酶不僅在效率上超過了之前所有PET水解酶，而且水解后產(chǎn)生的單體和石化材料中的單體具有相同特性，極大地推動了PET塑料制品的回收和再利用。

需要注意的是，大部分PET水解酶僅在極高反應(yīng)溫度以及高度催化底物的作用下，能夠表現(xiàn)出顯著的活性；而在中等溫度與中性的酸堿度條件下，其水解活性普遍較差。這在很大程度上影響了PET廢物的原位/微生物降解方案發(fā)揮作用，并加大了塑料廢物處理活動的整體運營成本。

據(jù)了解，自然界中還存在一種可有效降解PET的天然酶Ideonella sakaiensis 201-F6，也被稱為PETase酶。但該酶的主要缺點是，其只降解預(yù)處理后的PET廢物，并且僅能在一定范圍內(nèi)的酸堿度和溫度條件下發(fā)揮作用，降解速率也比較有限。

在此次研究中，該團隊運用機器學(xué)習(xí)的算法模型對PETase酶做了工程改造和測試，開發(fā)出一種同時具有功能性、活性、穩(wěn)定性和耐受性的PET水解酶FAST-PETase。

FAST-PETase酶降解不同PET塑料制品的應(yīng)用

該團隊介紹，“與野生型的PETase酶相比，F(xiàn)AST-PETase酶共含有5個突變，并具有更高的PET降解活性。而且，F(xiàn)AST-PETase酶可以在低于50攝氏度以及一系列不同的酸堿度條件下，將PET解聚、降解成小分子。”

為進一步驗證FAST-PETase酶降解不同PET塑料制品的效果，研究人員還用該酶分別去處理了51種消費者常用的PET塑料制品，其中包括各種塑料容器和商用聚酯產(chǎn)品等。結(jié)果表明，F(xiàn)AST-PETase酶能夠在一周內(nèi)徹底降解這些PET塑料制品。在一些特定條件下，這種酶甚至能在不到一天的時間內(nèi)就將PET全部解聚為單體。

此外，研究人員還基于采用FAS TPETase酶降解PET而獲得的單體，再次制備出一類PET，展示了一個閉環(huán)的PET回收過程。該團隊稱，“我們可以從3克有色PET中生產(chǎn)出約2.8克無色PET，且這類PET可用于合成食品級包裝材料?！?/p>

總體而言，該研究不僅可以推動塑料制品的有效回收和再利用，從而緩解環(huán)境中的“白色污染”，而且?guī)砹艘环N能在工業(yè)規(guī)模上進行酶塑料綠色回收的可行途徑。

阿爾珀教授表示，“通過這項最先進的回收技術(shù)，各行業(yè)可以看到無盡的可能性。”

下一步，該團隊打算進行FAST -PETase酶的規(guī)模化生產(chǎn)，以實現(xiàn)其在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，包括工業(yè)垃圾中的塑料清理以及生產(chǎn)環(huán)境修復(fù)等。