一種“吃塑料”酶的發(fā)現(xiàn)，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(diǎn)？許多是由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的，這是一種無(wú)處不在的塑料，在20世紀(jì)40年代獲得專利后，它徹底改變了材料工業(yè)。PET以石油為原料生產(chǎn)，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(guó)能源部瓶子聯(lián)盟首席執(zhí)行官、國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)高級(jí)研究員Gregg Beckham解釋說(shuō)：“現(xiàn)實(shí)情況是，大多數(shù)PET產(chǎn)品——尤其是PET服裝和地毯——今天都沒(méi)有使用傳統(tǒng)的回收技術(shù)進(jìn)行回收。科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)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(yù)處理步驟才能實(shí)現(xiàn)。”

因此，今天生產(chǎn)的大多數(shù)PET最終都進(jìn)入了垃圾填埋場(chǎng)或環(huán)境中——甚至實(shí)際上進(jìn)入回收站的PET產(chǎn)品也是如此。盡管如此，事物正在迅速地發(fā)生變化，機(jī)器學(xué)習(xí)和合成生物學(xué)中的先進(jìn)方法讓科學(xué)家們前所未有地了解了“PET-解構(gòu)酶”的基礎(chǔ)生物學(xué)。Beckham和他在樸次茅斯大學(xué)和蒙大拿州立大學(xué)的同事發(fā)現(xiàn)了新的酶變體，這些變體有望在不進(jìn)行額外預(yù)處理的情況下解構(gòu)最難對(duì)付的PET。該項(xiàng)技術(shù)不僅意味著PET的酶回收的進(jìn)步，還意味著回收PET可能很快比用石油開(kāi)始制造PET更便宜。

NREL/UoP公司的酶回收平臺(tái)有效地將PET塑料原料(左)分解成它的化學(xué)結(jié)構(gòu)單元。右側(cè)的PET樣品在被NREL/UoP公司的酶分解后，質(zhì)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(xué)家發(fā)現(xiàn)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(tái)。大自然演示了如何將PET瓶還原成制造它們的基本成分—對(duì)苯二甲酸和乙二醇。大自然為斷裂PET的化學(xué)鍵提供了一個(gè)很好的解決方案。

科學(xué)家們?yōu)樵诠I(yè)化使用酶處理每年產(chǎn)生的數(shù)百萬(wàn)噸PET展開(kāi)了一系列的研究，他們認(rèn)為如果加以改進(jìn)，酶回收平臺(tái)可以徹底改變目前表現(xiàn)不佳的回收系統(tǒng)，減少能源和溫室氣體排放，并促進(jìn)所有PET產(chǎn)品的循環(huán)經(jīng)濟(jì)——甚至是用傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法回收的地毯和織物。

英國(guó)樸次茅斯大學(xué)(UoP)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家約翰·麥吉漢(John McGeehan)說(shuō)，“隨著研究人員意識(shí)到利用酶來(lái)分解塑料的潛力，新的研究論文不斷發(fā)表，研究結(jié)果顯示來(lái)自制藥和生物燃料等不同領(lǐng)域的專家能夠利用幾十年的研究經(jīng)驗(yàn)來(lái)重新改造酶”。

事實(shí)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(tuán)隊(duì)取得了顯著的成果，通過(guò)改進(jìn)這種酶，使它們的效率提高了六倍，在生物反應(yīng)器中處理48小時(shí)，可能有將近98%的PET轉(zhuǎn)化為對(duì)苯二甲酸和乙二醇。麥吉漢補(bǔ)充道，在一個(gè)發(fā)展如此迅速的領(lǐng)域工作是幸運(yùn)的，我們正在利用協(xié)作研究來(lái)加速基于酶的解決方案的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和推廣。

盡管進(jìn)步很快，但工業(yè)規(guī)模的酶回收的一個(gè)關(guān)鍵障礙隱約可見(jiàn)。這種酶只對(duì)PET的“無(wú)定形”區(qū)有效，它們對(duì)沒(méi)有經(jīng)高溫和額外的能量處理的PET難以處理，而PET產(chǎn)品，包括服裝中的聚酯纖維和部分一次性飲料瓶，結(jié)晶區(qū)約占90%。科學(xué)家們需要的是發(fā)現(xiàn)更善于分解結(jié)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(jī)器學(xué)習(xí)“挖掘”新的酶

幸運(yùn)的是，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)不需要鏟子來(lái)挖掘新的酶品種，生物信息學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步已經(jīng)使我們有可能在現(xiàn)有酶序列的龐大數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找對(duì)結(jié)晶PET有活性的各種酶。

“從數(shù)據(jù)庫(kù)中找出新的‘吃塑料’的酶的傳統(tǒng)方法可能是無(wú)效的，因?yàn)樵诨瘜W(xué)組成上非常相似的酶不一定保留塑料解構(gòu)活性。”NREL計(jì)算科學(xué)家賈斐斯·加多說(shuō)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，賈斐斯·加多建立了一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型來(lái)學(xué)習(xí)已知塑料分解酶的生物規(guī)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(gè)配套的機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)預(yù)測(cè)酶的耐熱性，這對(duì)工業(yè)應(yīng)用很重要。

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

這兩個(gè)計(jì)算模型一起讓加多和他的同事向未知領(lǐng)域探索，在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間里，他們篩選了超過(guò)2.5億個(gè)蛋白質(zhì)，從而創(chuàng)建了一個(gè)有希望的候選短名單。進(jìn)一步的測(cè)試證實(shí)了36個(gè)能夠解構(gòu)PET，而其中24個(gè)以前在科學(xué)文獻(xiàn)中沒(méi)有描述過(guò)。重要的是，有些甚至更擅長(zhǎng)分解結(jié)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(jié)構(gòu)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?wù)撨@24種新型酶的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗?jiàn)過(guò)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(duì)這些酶進(jìn)行了表征，因此該團(tuán)隊(duì)可以并排比較這些酶，并觀察它們的差異。

根據(jù)賈斐斯·加多的說(shuō)法，DeepMind的渲染圖為塑料解構(gòu)酶如何作用于PET提供了寶貴的線索。加多補(bǔ)充道“最先進(jìn)的人工智能方法幫助我們?cè)诿笖?shù)據(jù)中找到模式，增強(qiáng)對(duì)好的塑料食用酶的理解，使我們能夠用蛋白質(zhì)工程來(lái)改進(jìn)酶，并在自然界中找到性能類(lèi)似的其他酶。”

這是一個(gè)已經(jīng)多產(chǎn)的研究團(tuán)隊(duì)的又一個(gè)進(jìn)步，也是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模PET回收的又一步。

更便宜、更環(huán)保——酶法PET回收的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)Beckham的說(shuō)法，清潔、切碎和加熱——為PET的分解做準(zhǔn)備所需的步驟——是工業(yè)規(guī)模酶回收設(shè)施最重要的可持續(xù)性驅(qū)動(dòng)因素之一，盡量減少這些預(yù)處理步驟對(duì)于使酶回收成本與從石油中生產(chǎn)PET樹(shù)脂相比具有競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。

在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，研究小組注意到，他們的機(jī)器學(xué)習(xí)方法標(biāo)記的一些酶在分解結(jié)晶和無(wú)定形PET方面同樣有效，這些酶根本不需要預(yù)處理來(lái)幫助。“通過(guò)省去預(yù)處理，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的PET回收，這實(shí)際上比使用石油生產(chǎn)原始P ET更便宜，”Beckham補(bǔ)充道，“更好的是，它可以降低相關(guān)的能源和溫室氣體排放”。

NREL大學(xué)和UoP公司的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好的酶促平臺(tái)，可以快速將消費(fèi)后的PET分解為相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)單元，即對(duì)苯二甲酸(TPA)和乙二醇(EG)。

在發(fā)表于Joule的一篇早期文章中，在2021年，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)量化了在結(jié)晶PET上使用活性酶的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢(shì)。在工業(yè)規(guī)模的設(shè)施中，與使用預(yù)處理的系統(tǒng)相比，這樣做可以減少45%的供應(yīng)鏈能源需求和38%的生命周期溫室氣體排放。

經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)同樣令人印象深刻。當(dāng)分解廢棄的PET地毯和衣物時(shí)——用傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法回收——他們還可以生產(chǎn)出每公斤不到1美元的對(duì)苯二甲酸，而石油衍生的對(duì)苯二甲酸歷來(lái)售價(jià)為每公斤1至1.50美元。

進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)工作的前NREL博士后研究員Erika Erickson說(shuō)，我們的酶平臺(tái)為清潔我們的海洋創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，在這樣的價(jià)格點(diǎn)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(fèi)后的PET產(chǎn)品通常是污染源，當(dāng)今可以轉(zhuǎn)化為寶貴的資源以支持環(huán)境可持續(xù)的塑料經(jīng)濟(jì)。

不難想象這將如何改變?cè)谒芰仙系墓适拢篜ET回收成本如此之低，以至于傾向于經(jīng)濟(jì)地將其扔進(jìn)回收站而不是垃圾桶，一件T恤、一塊地毯、一個(gè)汽水瓶……，所有的東西都被放進(jìn)去，作為一個(gè)個(gè)積木，開(kāi)始它們的循環(huán)之旅，創(chuàng)造一個(gè)更清潔、更綠色的世界。（信息來(lái)源：NREL、NTMT紡織新材料）