Uniwersytet USA opracowuje enzym do depolimeryzacji PET
Wariant enzymu stworzony przez inżynierów i naukowców z University of Texas w Austin może rozkładać dławiące środowisko tworzywa sztuczne, których degradacja zwykle zajmuje wieki w ciągu zaledwie kilku godzin lub dni.
To odkrycie, opublikowane dzisiaj w Nature, może pomóc rozwiązać jeden z najbardziej palących problemów środowiskowych na świecie: co zrobić z miliardami ton odpadów z tworzyw sztucznych piętrzących się na wysypiskach i zanieczyszczających nasze naturalne grunty i wodę. Enzym ma potencjał, by wzmocnić recykling na dużą skalę, co pozwoliłoby dużym gałęziom przemysłu na zmniejszenie ich wpływu na środowisko poprzez odzyskiwanie i ponowne wykorzystanie tworzyw sztucznych na poziomie molekularnym.
„Możliwości wykorzystania tego najnowocześniejszego procesu recyklingu w różnych branżach są nieograniczone” — powiedział Hal Alper, profesor na Wydziale Inżynierii Chemicznej McKetta w UT Austin. „Oprócz oczywistej branży gospodarowania odpadami, zapewnia to również korporacjom z każdego sektora możliwość objęcia wiodącej roli w recyklingu swoich produktów. Dzięki tym bardziej zrównoważonym podejściom enzymatycznym możemy zacząć wyobrażać sobie prawdziwą gospodarkę o obiegu zamkniętym z tworzyw sztucznych”.
Projekt koncentruje się na politereftalanie etylenu (PET), ważnym polimerze występującym w większości opakowań konsumenckich, w tym pojemnikach na ciastka, butelkach po napojach gazowanych, opakowaniach owoców i sałatek oraz niektórych włóknach i tekstyliach. Stanowi 12% wszystkich globalnych odpadów.
Enzym był w stanie zakończyć „kołowy proces” rozkładania plastiku na mniejsze części (depolimeryzacja), a następnie chemicznego składania go z powrotem (repolimeryzacja). W niektórych przypadkach te tworzywa sztuczne można całkowicie rozłożyć na monomery w ciągu zaledwie 24 godzin.
Naukowcy z Cockrell School of Engineering i College of Natural Sciences wykorzystali model uczenia maszynowego do wygenerowania nowych mutacji w naturalnym enzymie zwanym PETazą, który umożliwia bakteriom degradację plastiku PET. Model przewiduje, które mutacje w tych enzymach osiągną cel, jakim jest szybka depolimeryzacja pokonsumpcyjnych odpadów plastikowych w niskich temperaturach.
Dzięki temu procesowi, który obejmował badanie 51 różnych plastikowych pojemników pokonsumpcyjnych, pięciu różnych włókien i tkanin poliestrowych oraz butelek na wodę wykonanych z PET, naukowcy udowodnili skuteczność enzymu, który nazwali FAST-PETazą (funkcjonalny, aktywny, stabilna i tolerancyjna PETaza).
„Ta praca naprawdę pokazuje moc łączenia różnych dyscyplin, od biologii syntetycznej przez inżynierię chemiczną po sztuczną inteligencję” – powiedział Andrew Ellington, profesor w Centrum Systemów i Biologii Syntetycznej, którego zespół kierował rozwojem modelu uczenia maszynowego.
Recykling to najbardziej oczywisty sposób na ograniczenie odpadów z tworzyw sztucznych. Jednak na całym świecie recyklingowi poddano mniej niż 10% całego plastiku. Najpopularniejszą metodą utylizacji plastiku, poza wyrzuceniem go na wysypisko, jest jego spalanie, które jest kosztowne, energochłonne i wyrzuca trujące gazy w powietrze. Inne alternatywne procesy przemysłowe obejmują bardzo energochłonne procesy glikolizy, pirolizy i/lub metanolizy.
Rozwiązania biologiczne zużywają znacznie mniej energii. Badania nad enzymami do recyklingu tworzyw sztucznych poczyniły postępy w ciągu ostatnich 15 lat. Jednak do tej pory nikt nie był w stanie wymyślić, jak wytwarzać enzymy, które mogłyby wydajnie działać w niskich temperaturach, aby były przenośne i niedrogie na dużą skalę przemysłową. FAST-PETase może przeprowadzić ten proces w temperaturze poniżej 50 stopni Celsjusza.
W następnej kolejności zespół planuje pracować nad zwiększeniem produkcji enzymów w celu przygotowania do zastosowań przemysłowych i środowiskowych. Naukowcy złożyli wniosek patentowy na tę technologię i rozważają kilka różnych zastosowań. Oczyszczanie składowisk i ekologizacja przemysłu wytwarzającego duże ilości odpadów to najbardziej oczywiste. Ale innym kluczowym potencjalnym zastosowaniem jest rekultywacja środowiska. Zespół szuka wielu sposobów na wypuszczenie enzymów w teren w celu oczyszczenia zanieczyszczonych miejsc.
„Rozważając zastosowania związane z oczyszczaniem środowiska, potrzebujesz enzymu, który może działać w środowisku w temperaturze otoczenia. To wymaganie, w którym nasza technologia będzie miała ogromną przewagę w przyszłości” – powiedział Alper.
Badaniami kierowali Alper, Ellington, profesor nadzwyczajny inżynierii chemicznej Nathaniel Lynd i Hongyuan Lu, badacz podoktorancki w laboratorium Alpera. Raghav Shroff, były członek laboratorium Ellingtona, a obecnie naukowiec w Houston Methodist Research Institute, stworzył model uczenia maszynowego 3DCNN używany do inżynierii enzymu zjadającego plastik. Danny Diaz, obecny członek laboratorium Ellingtona, zaadaptował model i stworzył platformę internetową MutCompute, aby udostępnić go do szerszego użytku akademickiego.
Źródło: www.utexas.edu
Zdjęcie: www.pixabay.com