一種“吃塑料”酶的發現，廢PET回收或比從石油中提煉更便宜？

T 恤、地毯和汽水瓶有什么共同點？許多是由聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的，這是一種無處不在的塑料，在20世紀40年代獲得專利后，它徹底改變了材料工業。PET以石油為原料生產，以耐用性和多功能性而聞名，它很容易被制成密封的容器，織成耐用的地毯或紡成聚酯服裝。

美國能源部瓶子聯盟首席執行官、國家可再生能源實驗室(NREL)高級研究員Gregg Beckham解釋說：“現實情況是，大多數PET產品——尤其是PET服裝和地毯——今天都沒有使用傳統的回收技術進行回收。科學家正在開發有前景的替代品，包括旨在解聚PET的酶，但即使是這些選擇也往往依賴于高能耗和高成本的預處理步驟才能實現。”

因此，今天生產的大多數PET最終都進入了垃圾填埋場或環境中——甚至實際上進入回收站的PET產品也是如此。盡管如此，事物正在迅速地發生變化，機器學習和合成生物學中的先進方法讓科學家們前所未有地了解了“PET-解構酶”的基礎生物學。Beckham和他在樸次茅斯大學和蒙大拿州立大學的同事發現了新的酶變體，這些變體有望在不進行額外預處理的情況下解構最難對付的PET。該項技術不僅意味著PET的酶回收的進步，還意味著回收PET可能很快比用石油開始制造PET更便宜。

NREL/UoP公司的酶回收平臺有效地將PET塑料原料(左)分解成它的化學結構單元。右側的PET樣品在被NREL/UoP公司的酶分解后，質量減少了97.7%。

藏在泥土中的非凡的酶

PET 的酶回收概念雖然自2005年就已為人所知，但在日本科學家發現一種名為阪崎氏菌（Ideonella sakaiensis）悄悄分泌分解散落各處的舊塑料飲料瓶的酶后，于2016年登上了世界舞臺。大自然演示了如何將PET瓶還原成制造它們的基本成分—對苯二甲酸和乙二醇。大自然為斷裂PET的化學鍵提供了一個很好的解決方案。

科學家們為在工業化使用酶處理每年產生的數百萬噸PET展開了一系列的研究，他們認為如果加以改進，酶回收平臺可以徹底改變目前表現不佳的回收系統，減少能源和溫室氣體排放，并促進所有PET產品的循環經濟——甚至是用傳統技術無法回收的地毯和織物。

英國樸次茅斯大學(UoP)團隊的科學家約翰·麥吉漢(John McGeehan)說，“隨著研究人員意識到利用酶來分解塑料的潛力，新的研究論文不斷發表，研究結果顯示來自制藥和生物燃料等不同領域的專家能夠利用幾十年的研究經驗來重新改造酶”。

事實上，貝克漢姆、麥吉漢和他的同事們本身就是全球改善酶促PET回收工作的核心人物。在2018年至2021年該團隊取得了顯著的成果，通過改進這種酶，使它們的效率提高了六倍，在生物反應器中處理48小時，可能有將近98%的PET轉化為對苯二甲酸和乙二醇。麥吉漢補充道，在一個發展如此迅速的領域工作是幸運的，我們正在利用協作研究來加速基于酶的解決方案的大規模開發和推廣。

盡管進步很快，但工業規模的酶回收的一個關鍵障礙隱約可見。這種酶只對PET的“無定形”區有效，它們對沒有經高溫和額外的能量處理的PET難以處理，而PET產品，包括服裝中的聚酯纖維和部分一次性飲料瓶，結晶區約占90%。科學家們需要的是發現更善于分解結晶PET的酶，但愿他們能找到藏在泥土中的其他“吃塑料”的酶。

用機器學習“挖掘”新的酶

幸運的是，該團隊已經不需要鏟子來挖掘新的酶品種，生物信息學和機器學習的進步已經使我們有可能在現有酶序列的龐大數據庫中尋找對結晶PET有活性的各種酶。

“從數據庫中找出新的‘吃塑料’的酶的傳統方法可能是無效的，因為在化學組成上非常相似的酶不一定保留塑料解構活性。”NREL計算科學家賈斐斯·加多說。為了應對這一挑戰，賈斐斯·加多建立了一個統計模型來學習已知塑料分解酶的生物規則，該模型將篩選迄今為止所研究的酶，賈斐斯·加多還建立了一個配套的機器學習模型來預測酶的耐熱性，這對工業應用很重要。

DeepMind的3D渲染揭示了意想不到的結構特征，例如圖中的酶611。仔細分析像酶611這樣的蛋白質的結構特征可以幫助研究小組提高它們的性能。

這兩個計算模型一起讓加多和他的同事向未知領域探索，在不到一個小時的時間里，他們篩選了超過2.5億個蛋白質，從而創建了一個有希望的候選短名單。進一步的測試證實了36個能夠解構PET，而其中24個以前在科學文獻中沒有描述過。重要的是，有些甚至更擅長分解結晶的PET。

賈斐斯·加多解釋道“這些新的酶不僅在基因上具有多樣性，它們的結構各不相同，活性中心的幾何形狀也各不相同”。賈斐斯·加多可以自信地談論這24種新型酶的結構，因為他見過它們的樣子——至少在Alphabet子公司DeepMind的研究人員提供的3D渲染圖中是這樣，DeepMind對這些酶進行了表征，因此該團隊可以并排比較這些酶，并觀察它們的差異。

根據賈斐斯·加多的說法，DeepMind的渲染圖為塑料解構酶如何作用于PET提供了寶貴的線索。加多補充道“最先進的人工智能方法幫助我們在酶數據中找到模式，增強對好的塑料食用酶的理解，使我們能夠用蛋白質工程來改進酶，并在自然界中找到性能類似的其他酶。”

這是一個已經多產的研究團隊的又一個進步，也是實現大規模PET回收的又一步。

更便宜、更環保——酶法PET回收的優勢

根據Beckham的說法，清潔、切碎和加熱——為PET的分解做準備所需的步驟——是工業規模酶回收設施最重要的可持續性驅動因素之一，盡量減少這些預處理步驟對于使酶回收成本與從石油中生產PET樹脂相比具有競爭力至關重要。

在后續的實驗中，研究小組注意到，他們的機器學習方法標記的一些酶在分解結晶和無定形PET方面同樣有效，這些酶根本不需要預處理來幫助。“通過省去預處理，該技術可以實現工業規模的PET回收，這實際上比使用石油生產原始P ET更便宜，”Beckham補充道，“更好的是，它可以降低相關的能源和溫室氣體排放”。

NREL大學和UoP公司的科學家開發了一種經濟高效、環境友好的酶促平臺，可以快速將消費后的PET分解為相同的化學結構單元，即對苯二甲酸(TPA)和乙二醇(EG)。

在發表于Joule的一篇早期文章中，在2021年，該團隊已經量化了在結晶PET上使用活性酶的經濟和環境優勢。在工業規模的設施中，與使用預處理的系統相比，這樣做可以減少45%的供應鏈能源需求和38%的生命周期溫室氣體排放。

經濟優勢同樣令人印象深刻。當分解廢棄的PET地毯和衣物時——用傳統技術無法回收——他們還可以生產出每公斤不到1美元的對苯二甲酸，而石油衍生的對苯二甲酸歷來售價為每公斤1至1.50美元。

進行了大量實驗工作的前NREL博士后研究員Erika Erickson說，我們的酶平臺為清潔我們的海洋創造了經濟效益，在這樣的價格點上，廢PET的處理成本可以支持得起PET回用，使其找到新的用途。消費后的PET產品通常是污染源，當今可以轉化為寶貴的資源以支持環境可持續的塑料經濟。

不難想象這將如何改變在塑料上的故事：PET回收成本如此之低，以至于傾向于經濟地將其扔進回收站而不是垃圾桶，一件T恤、一塊地毯、一個汽水瓶……，所有的東西都被放進去，作為一個個積木，開始它們的循環之旅，創造一個更清潔、更綠色的世界。（信息來源：NREL、NTMT紡織新材料）