人工智能工程酶可以吃掉整个塑料容器

一种由机器学习算法设计的氨基酸变化增强的塑料降解酶可以解聚聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)速度至少是第二种最好的工程酶的两倍，而且温度更低。

六年前，科学家们正在筛选塑料瓶回收厂的废墟发现了一种可以降解PET的细菌．这种生物有两种酶，首先将聚合物水解成单(2-羟乙基)对苯二甲酸，然后分解成乙二醇和对苯二甲酸，用作能源。

有一种酶，PETase，已经成为蛋白质工程努力的目标，使其在更高的温度下稳定，并提高其催化活性。一个团队哈尔高山来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的一名研究人员发明了一种PETase，可以降解51种不同的PET产品，包括整个塑料容器和瓶子。

一个神经网络帮助研究小组决定如何修改蛋白质支架。该算法首先在19,000个大小相似，但功能非常不同的蛋白质上进行训练。对于PETase的290个氨基酸中的每一个，该程序与其他蛋白质相比，检查它是否适合其直接结构环境。不合适的氨基酸可能是不稳定的来源，算法建议用不同的氨基酸来代替它，Alper解释道。

Alper说，在识别活性位点外改变氨基酸的影响时，机器学习变得越来越强大。这意味着它可以在活性和稳定性之间平衡进化的平衡。

在数百万种可能的组合中，研究人员集中在三种建议的氨基酸替代上。Alper说，他们结合之前PETase工程的两项改进，设计了一种“与现有的任何酶相比，尤其是在较低的温度下，具有极高的活性”的酶。

在50°C时，该酶在水解PET食品容器的小样本时的活性几乎是其两倍另一种工程PETase在70°C。这种酶甚至在48小时内解聚了整个塑料蛋糕托盘，研究小组表明，它可以用降解的废物制成一种新的塑料制品。

他说:“我真正喜欢他们的研究的地方是，他们在某种程度上也把它带到了实验室之外。莎拉Kakadellis他在英国帝国理工学院研究塑料生物经济。Alper的团队并没有只在实验室供应商提供的非晶PET薄膜上尝试这种酶，而是使用了从当地超市购买的PET产品的小片。

卡卡德利斯说:“与迄今为止开发的其他酶相比，这是一个巨大的进步。”但像其他酶一样，它与更多的晶体塑料作斗争。为了降解高度结晶的PET瓶，Alper的团队将瓶子融化，使塑料变成无定形。

“这项研究证明了机器学习方法在酶工程中是有用的，”他说吴边来自中国科学院，他的团队创造了不同的修饰PETase在2021年。他指出，该算法成功地发现了被其他方法忽略的某些修改。虽然Wu对新型PETase的有效性印象深刻，但他警告说，这种酶的最佳工作温度为50°C“既不适合高温降解——[它]应该接近PET的玻璃化转变温度——也不能满足原位降解的需要”。

酶解聚合最终是否会用于大规模回收仍有待观察。世界上大多数PET不是通过解聚，而是通过熔化和重塑来回收的，但它的性能随着每一次循环而恶化。在那里是化学解聚法吗，但这些通常是高耗能的。

卡卡德利斯解释说:“酶的最大优势在于，它们比化学催化剂更具特异性。”“从理论上讲，使用酶来降解更多样化的废物流可能更容易。阿尔珀补充说，降解垃圾桶里所有不同的塑料是任何回收方法都必须解决的主要挑战之一。他的团队正在继续研究酶回收的实际方面，并将其扩展到PET以外的聚合物。

卡卡德利斯说:“还有许多其他种类的塑料更难降解，因为它们不是聚酯，而是聚烯烃。”他说，最主要的事情是控制前端的塑料流。