最快二十四小時內完全降解塑料！德克薩斯大學團隊通過機器學習開發全新PET水解酶

塑料袋可以說經歷了從人類“最偉大的發明之一”到“最糟糕發明”的一個過程。最初，塑料袋因輕便、實用且便宜的特點出現在生活中的各個地方，然而無節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象。

據了解，全球每年的塑料總產量在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，使得當地的土壤與水源都受到了污染，帶來嚴峻的生態挑戰。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揮作用，以實現其大規模工業場景下的低成本投放。

近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校化學工程系的哈爾·阿爾珀教授團隊，使用基于結構的機器學習算法開發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模回收和再利用帶來了新的可行方案，有望大幅降低環境污染并推動循環碳經濟的實現。

相關論文以《PET解聚水解酶的機器學習輔助工程》為題發表。

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PET是現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，有不少科學家提出能降解PET的酶。2020年，來自法國圖盧茲大學的研究團隊更是開發了一種能夠在10小時內降解完成大部分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溫度以及高度催化底物的作用下，能夠表現出顯著的活性；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/微生物降解方案發揮作用，并加大了塑料廢物處理活動的整體運營成本。

據了解，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，其只降解預處理后的PET廢物，并且僅能在一定范圍內的酸堿度和溫度條件下發揮作用，降解速率也比較有限。

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

FAST-PETase酶降解不同PET塑料制品的應用

該團隊介紹，“與野生型的PETase酶相比，FAST-PETase酶共含有5個突變，并具有更高的PET降解活性。而且，FAST-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品等。結果表明，FAST-PETase酶能夠在一周內徹底降解這些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，展示了一個閉環的PET回收過程。該團隊稱，“我們可以從3克有色PET中生產出約2.8克無色PET，且這類PET可用于合成食品級包裝材料。”

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，從而緩解環境中的“白色污染”，而且帶來了一種能在工業規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，各行業可以看到無盡的可能性。”

下一步，該團隊打算進行FAST -PETase酶的規模化生產，以實現其在工業中的廣泛應用，包括工業垃圾中的塑料清理以及生產環境修復等。