一种“吃塑料”酶的发现，废PET回收或比从石油中提炼更便宜？

T 恤、地毯和汽水瓶有什么共同点？许多是由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的，这是一种无处不在的塑料，在20世纪40年代获得专利后，它彻底改变了材料工业。PET以石油为原料生产，以耐用性和多功能性而闻名，它很容易被制成密封的容器，织成耐用的地毯或纺成聚酯服装。

美国能源部瓶子联盟首席执行官、国家可再生能源实验室(NREL)高级研究员Gregg Beckham解释说：“现实情况是，大多数PET产品——尤其是PET服装和地毯——今天都没有使用传统的回收技术进行回收。科学家正在开发有前景的替代品，包括旨在解聚PET的酶，但即使是这些选择也往往依赖于高能耗和高成本的预处理步骤才能实现。”

因此，今天生产的大多数PET最终都进入了垃圾填埋场或环境中——甚至实际上进入回收站的PET产品也是如此。尽管如此，事物正在迅速地发生变化，机器学习和合成生物学中的先进方法让科学家们前所未有地了解了“PET-解构酶”的基础生物学。Beckham和他在朴次茅斯大学和蒙大拿州立大学的同事发现了新的酶变体，这些变体有望在不进行额外预处理的情况下解构最难对付的PET。该项技术不仅意味着PET的酶回收的进步，还意味着回收PET可能很快比用石油开始制造PET更便宜。

NREL/UoP公司的酶回收平台有效地将PET塑料原料(左)分解成它的化学结构单元。右侧的PET样品在被NREL/UoP公司的酶分解后，质量减少了97.7%。

藏在泥土中的非凡的酶

PET 的酶回收概念虽然自2005年就已为人所知，但在日本科学家发现一种名为阪崎氏菌（Ideonella sakaiensis）悄悄分泌分解散落各处的旧塑料饮料瓶的酶后，于2016年登上了世界舞台。大自然演示了如何将PET瓶还原成制造它们的基本成分—对苯二甲酸和乙二醇。大自然为断裂PET的化学键提供了一个很好的解决方案。

科学家们为在工业化使用酶处理每年产生的数百万吨PET展开了一系列的研究，他们认为如果加以改进，酶回收平台可以彻底改变目前表现不佳的回收系统，减少能源和温室气体排放，并促进所有PET产品的循环经济——甚至是用传统技术无法回收的地毯和织物。

英国朴次茅斯大学(UoP)团队的科学家约翰·麦吉汉(John McGeehan)说，“随着研究人员意识到利用酶来分解塑料的潜力，新的研究论文不断发表，研究结果显示来自制药和生物燃料等不同领域的专家能够利用几十年的研究经验来重新改造酶”。

事实上，贝克汉姆、麦吉汉和他的同事们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年该团队取得了显著的成果，通过改进这种酶，使它们的效率提高了六倍，在生物反应器中处理48小时，可能有将近98%的PET转化为对苯二甲酸和乙二醇。麦吉汉补充道，在一个发展如此迅速的领域工作是幸运的，我们正在利用协作研究来加速基于酶的解决方案的大规模开发和推广。

尽管进步很快，但工业规模的酶回收的一个关键障碍隐约可见。这种酶只对PET的“无定形”区有效，它们对没有经高温和额外的能量处理的PET难以处理，而PET产品，包括服装中的聚酯纤维和部分一次性饮料瓶，结晶区约占90%。科学家们需要的是发现更善于分解结晶PET的酶，但愿他们能找到藏在泥土中的其他“吃塑料”的酶。

用机器学习“挖掘”新的酶

幸运的是，该团队已经不需要铲子来挖掘新的酶品种，生物信息学和机器学习的进步已经使我们有可能在现有酶序列的庞大数据库中寻找对结晶PET有活性的各种酶。

“从数据库中找出新的‘吃塑料’的酶的传统方法可能是无效的，因为在化学组成上非常相似的酶不一定保留塑料解构活性。”NREL计算科学家贾斐斯·加多说。为了应对这一挑战，贾斐斯·加多建立了一个统计模型来学习已知塑料分解酶的生物规则，该模型将筛选迄今为止所研究的酶，贾斐斯·加多还建立了一个配套的机器学习模型来预测酶的耐热性，这对工业应用很重要。

DeepMind的3D渲染揭示了意想不到的结构特征，例如图中的酶611。仔细分析像酶611这样的蛋白质的结构特征可以帮助研究小组提高它们的性能。

这两个计算模型一起让加多和他的同事向未知领域探索，在不到一个小时的时间里，他们筛选了超过2.5亿个蛋白质，从而创建了一个有希望的候选短名单。进一步的测试证实了36个能够解构PET，而其中24个以前在科学文献中没有描述过。重要的是，有些甚至更擅长分解结晶的PET。

贾斐斯·加多解释道“这些新的酶不仅在基因上具有多样性，它们的结构各不相同，活性中心的几何形状也各不相同”。贾斐斯·加多可以自信地谈论这24种新型酶的结构，因为他见过它们的样子——至少在Alphabet子公司DeepMind的研究人员提供的3D渲染图中是这样，DeepMind对这些酶进行了表征，因此该团队可以并排比较这些酶，并观察它们的差异。

根据贾斐斯·加多的说法，DeepMind的渲染图为塑料解构酶如何作用于PET提供了宝贵的线索。加多补充道“最先进的人工智能方法帮助我们在酶数据中找到模式，增强对好的塑料食用酶的理解，使我们能够用蛋白质工程来改进酶，并在自然界中找到性能类似的其他酶。”

这是一个已经多产的研究团队的又一个进步，也是实现大规模PET回收的又一步。

更便宜、更环保——酶法PET回收的优势

根据Beckham的说法，清洁、切碎和加热——为PET的分解做准备所需的步骤——是工业规模酶回收设施最重要的可持续性驱动因素之一，尽量减少这些预处理步骤对于使酶回收成本与从石油中生产PET树脂相比具有竞争力至关重要。

在后续的实验中，研究小组注意到，他们的机器学习方法标记的一些酶在分解结晶和无定形PET方面同样有效，这些酶根本不需要预处理来帮助。“通过省去预处理，该技术可以实现工业规模的PET回收，这实际上比使用石油生产原始P ET更便宜，”Beckham补充道，“更好的是，它可以降低相关的能源和温室气体排放”。

NREL大学和UoP公司的科学家开发了一种经济高效、环境友好的酶促平台，可以快速将消费后的PET分解为相同的化学结构单元，即对苯二甲酸(TPA)和乙二醇(EG)。

在发表于Joule的一篇早期文章中，在2021年，该团队已经量化了在结晶PET上使用活性酶的经济和环境优势。在工业规模的设施中，与使用预处理的系统相比，这样做可以减少45%的供应链能源需求和38%的生命周期温室气体排放。

经济优势同样令人印象深刻。当分解废弃的PET地毯和衣物时——用传统技术无法回收——他们还可以生产出每公斤不到1美元的对苯二甲酸，而石油衍生的对苯二甲酸历来售价为每公斤1至1.50美元。

进行了大量实验工作的前NREL博士后研究员Erika Erickson说，我们的酶平台为清洁我们的海洋创造了经济效益，在这样的价格点上，废PET的处理成本可以支持得起PET回用，使其找到新的用途。消费后的PET产品通常是污染源，当今可以转化为宝贵的资源以支持环境可持续的塑料经济。

不难想象这将如何改变在塑料上的故事：PET回收成本如此之低，以至于倾向于经济地将其扔进回收站而不是垃圾桶，一件T恤、一块地毯、一个汽水瓶……，所有的东西都被放进去，作为一个个积木，开始它们的循环之旅，创造一个更清洁、更绿色的世界。（信息来源：NREL、NTMT纺织新材料）