AI 改造酵素食食食外賣膠盒

美國科學家利用人工智能開發出一種能夠快速分解PET類塑膠的新酵素,有望加速解決世界上最大的環境問題。


PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)是生活中最常見,用途廣泛的塑膠物料之一:便當盒、寶特瓶、餐具,還有紡織用的纖維「的確涼」、光碟、產品包裝等也由這種聚酯物質製造。眾所周知,這些塑膠通常需要幾百年才能降解。六年前,日本科學家在一個寶特瓶回收廠附近的淤泥樣本中首次發現可以降解PET的大阪堺菌 (Ideonella sakaiensis) [1]。它能夠分泌一種水解酶PETase把膠樽生物降解成有機小分子,再將之吸收以獲得能量生長。

PET膠樽表面的生物降解過程 [1]

理論上PET水解酶是一個可以用來發展綠色回收PET廢料的「潛力酵素」,幫助處理地球上數以十億噸計的塑膠垃圾。然而,這酵素因為本身蛋白質的特性而令其應用受到限制:只能在狹窄的pH和溫度範圍內維持穩定,和在室溫中反應速度慢。美國德州大學奧斯汀分校 (UT-Austin) 的化學工程師看中了這個特別的酵素,研究如何透過蛋白質工程,將之修改成PET降解力更強的酵素。


Hal Alper 的研究團隊首先用機器學習演算法,從一萬九千種大小相似但功能不同的蛋白質結構中進行訓練。然後模擬PET水解酶內的 290 個氨基酸逐一產生突變,並與其他蛋白質比較,預測哪些突變可能提高酵素的穩定性和催化活性。在數百萬種可能的組合中,研究人員最終設計了一個包含五個突變,他們命名為「FAST-PETase」的酵素 (functional, active, stable, and tolerant PETase)。這個用蛋白質工程改良過的新酵素可以降解 51 種不同的塑膠產品,其中一個實驗顯示它可以在攝氏50度或以下的溫度中,於 48 小時內將一個完整的外賣盒完全分解,比天然PET水解酶的分解功效更強。去片:


應用 FAST-PETase 大規模回收塑膠廢料目前尚有一段距離,現時大多數的 PET 是通過熔化和重塑來再造,而所得的塑膠性能會隨着每次循環而變差。如果他日可以靠酵素將PET「解聚」(Depolymerization),生物降解成單體然後循環再造,則有望比現有的化學解聚方法消耗較少的能源,讓回收業更綠色。


這項研究結果於 2022 年 4 月 27 日發表在《自然》期刊 (Nature) [2]。



參考:

[1] SCIENCE (2016), Vol. 351, Issue 6278, pp. 1196-1199 DOI: 10.1126/science.aad6359

[2] Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization https://doi.org/10.1038/s41586-022-04599-z



原文刊於CUP

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