Egy gépi tanuló algoritmus által tervezett, aminosavváltozásokkal továbbfejlesztett műanyagbontó enzim legalább kétszer olyan gyorsan és alacsonyabb hőmérsékleten képes depolimerizálni a polietilén-tereftalátot (PET), mint a második legjobb mesterséges enzim.
Hat évvel ezelőtt a tudósok egy műanyag palackokat újrahasznosító üzem törmelékei között kutatva felfedeztek egy baktériumot, amely képes lebontani a PET-et. Az organizmus két enzimmel dolgozik, amelyek a polimert először mono-(2-hidroxietil)tereftaláttá, majd etilénglikollá és tereftálsavvá hidrolizálják, hogy azt energiaforrásként használják fel.
Különösen az egyik enzim, a PETáz vált a fehérjemérnöki erőfeszítések célpontjává, hogy magasabb hőmérsékleten stabilabbá tegyék, és fokozzák katalitikus aktivitását. Az Texasi Egyetem (University of Texas at Austin) munkatársa, Hal Alper által vezetett kutatócsoport olyan PETázt hozott létre, amely 51 különböző PET-terméket képes lebontani, beleértve teljes műanyagtartályokat és palackokat is.
A csapatnak egy neurális hálózat segített eldönteni, hogyan kell módosítani a fehérjeállványzatot. Az algoritmust először 19 ezer hasonló méretű, bár nagyon különböző funkcionalitású fehérjén képezték ki. A program ellenőrizte a PETáz mind a 290 aminosavja esetében, hogy a többi fehérjéhez képest jól illeszkedik-e a közvetlen szerkezeti környezetébe. Egy nem jól illeszkedő aminosav instabilitás forrása lehet, és az algoritmus egy másik aminosavat javasol helyette - magyarázta Alper a Chemistry World portálnak.
A lehetséges kombinációk millióit a kutatók három aminosavcserére redukálták. Egy korábbi PETáz kísérletből származó két módosítással kombinálva olyan enzimet terveztek, amely "rendkívül, rendkívül aktív, különösen alacsonyabb hőmérsékleten, minden más létező enzimhez képest" - mondta Alper.
Az enzim 50 °C-on majdnem kétszer olyan aktív egy PET élelmiszer-tartály kis mintájának hidrolízisében, mint egy másik, 70 °C-on hatékony PETáz. Az enzim 48 órán belül egy egész műanyag süteményes tálcát is depolimerizált, és a csapat kimutatta, hogy a lebomlott hulladékból új műanyag tárgyat tud készíteni.
Ez drasztikus előrelépés az eddig kifejlesztett más enzimekhez képest. De más enzimekhez hasonlóan ez is küzd a kristályosabb műanyagokkal. Az erősen kristályos PET-palackok lebontásához Alper csapata megolvasztja a palackokat, hogy a műanyag amorf legyen.
Hogy az enzimatikus depolimerizációt végül nagyüzemi újrahasznosításra fogják-e használni, még nem tudni. Világszerte a legtöbb PET-et nem depolimerizációval, hanem olvasztással és újraformázással hasznosítják, de a PET tulajdonságai minden egyes ciklusban romlanak. Léteznek kémiai depolimerizációs módszerek, de ezek általában igen energiaigényesek.
Hongyuan Lu et al/Springer Nature Limited 2022
Alper szerint a kukákba kerülő különböző műanyagok lebontása az egyik legnagyobb kihívás, amelyet minden újrahasznosítási megközelítésnek meg kell oldania. Csapata folytatja az enzimatikus újrahasznosítás gyakorlati szempontjainak vizsgálatát, valamint a PET-en kívüli polimerekre való kiterjesztését.
"Sok más műanyagféle létezik, amelyeket sokkal nehezebb lebontani, mivel ezek nem poliészterek, hanem poliolefinek. A legfontosabb azonban a műanyagáramlás megfékezése a kibocsátás kezdetétől fogva" - jegyzete meg Sarah Kakadellis, a londoni Imperial College műanyag biogazdasággal foglalkozó kutatója.
