研究人员开发出一种酶，可在短短数小时内分解危害环境的塑料，而非耗时数百年。
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）占全球所有废弃物的12%。这种塑料降解酶能够通过循环过程在短短24小时内分解其聚合物。
这种酶促工艺可在50摄氏度的低温下高效运行，因此既便于部署，也能以较低成本应用于大型工业规模。
研究人员创造出一种酶变体，可在短短数小时至数天内分解危害环境、通常需要数百年才能降解的塑料。
这项发现或有助于解决全球最紧迫的环境问题之一：如何处理数十亿吨塑料废弃物，这些废弃物正堆积在垃圾填埋场，并污染我们的自然陆地和水域。
塑料降解酶：塑料废弃物回收的助力
这种酶有望大幅提升大规模回收能力，使各大行业能够通过在分子层面回收和再利用塑料来减少对环境的影响。
“各行各业都能利用这一尖端回收工艺，可能性无穷无尽。”德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程系教授哈尔·阿尔珀（Hal Alper）说。
“除了显而易见的废弃物管理行业，这也为各行各业的企业提供了引领产品回收的机会。通过这些更可持续的酶技术，我们可以开始构想真正的塑料循环经济。”
该项目聚焦于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。这种重要聚合物常见于大多数消费品包装中，包括饼干盒、汽水瓶、水果和沙拉包装，以及某些纤维和纺织品。它占全球所有废弃物的12%。
这种塑料降解酶能够完成一个“循环过程”：先将塑料分解成更小的部分（解聚），再通过化学方法将其重新组合（再聚合）。在某些情况下，这些塑料最快只需24小时就能完全分解为单体。
研究人员使用机器学习模型，为一种名为PETase的天然酶生成新型突变。这种酶能使细菌降解PET塑料。该模型可预测这些酶中哪些突变能够实现在低温下快速解聚消费后塑料废弃物的目标。
在这一过程中，研究人员考察了51种不同的消费后塑料容器、5种不同的聚酯纤维，以及由PET制成的织物和水瓶，并证明了他们称为FAST-PETase（功能性、活性、稳定且耐受性强的PETase）的酶的有效性。
回收是减少塑料废弃物最显而易见的方式。但在全球范围内，所有塑料中得到回收的不到10%。除填埋外，最常见的塑料处置方式是焚烧；这种方式成本高、能耗大，还会向空气中排放有害气体。其他替代性工业工艺包括能耗极高的糖酵解、热解和/或甲醇解工艺。
生物解决方案所需能量少得多。过去15年来，塑料回收酶的研究不断取得进展。然而，直到现在，人们仍未找到让酶在低温下高效运行的方法，而这也是使其便于部署并能以较低成本应用于大型工业规模的关键。FAST-PETase可在低于50摄氏度（122华氏度）的条件下完成这一过程。
接下来，团队计划扩大酶的产量，为工业和环境应用做好准备。研究人员已为这项技术提交专利申请，并正在探索多种用途。清理垃圾填埋场以及推动高废弃物产出行业向绿色转型，是最显而易见的用途。另一项重要的潜在用途是环境修复。团队正在研究多种方法，将塑料降解酶带到现场，以清理受污染的地点。
“考虑环境清理应用时，需要一种能在环境常温下发挥作用的酶。这一要求正是我们的技术未来具有巨大优势的地方。”阿尔珀说。
阿尔珀、系统与合成生物学中心教授安德鲁·埃灵顿（Andrew Ellington）、化学工程副教授内森尼尔·林德（Nathaniel Lynd），以及阿尔珀实验室博士后研究员陆宏远（Hongyuan Lu）牵头开发了该机器学习模型。埃灵顿实验室前成员、现任休斯顿卫理公会研究所研究科学家的拉加夫·什罗夫（Raghav Shroff）创建了用于设计塑料降解酶的3DCNN机器学习模型。埃灵顿实验室现成员丹尼·迪亚兹（Danny Diaz）对该模型进行了改造，并创建了网络平台MutCompute，以便更广泛地供学术界使用。
