美国国家可再生能源实验室(NREL)高级研究员、美国能源部瓶子联盟首席执行官Gregg Beckham表示:“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。研究界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有效。”
研究人员贾斐斯·加多(左)、艾丽卡·埃里克森(右)及其同事发现并表征了降解结晶PET的酶，结晶PET是一种用于一次性饮料瓶、地毯、服装和食品包装的塑料。
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，贝克汉姆说，事情正在迅速变化，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。近日，Beckham和他在朴茨茅斯大学和蒙大拿州立大学的同事利用这些方法发现了新的酶变体，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。这不仅意味着我们正处于所有形式的PET的酶回收的前列，包括地毯和衣服——这还意味着回收PET可能很快比用石油从头开始制造PET更便宜。
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PET的酶回收概念自2005年就已为人所知，但在日本科学家做出惊人发现后，它于2016年登上了世界舞台。埋在日本一个回收设施外的泥土中，一种他们称为阪崎氏菌（Ideonella sakaiensis）悄悄分泌分解散落各处的旧塑料饮料瓶的酶。大自然为断裂PET的化学键提供了一个很好的解决方案。不知何故，大自然正在演示如何将PET瓶还原成制造它们的基本成分:对苯二甲酸和乙二醇。随之而来的是一连串的研究。科学家们试图增强工业技术中使用的酶，以处理每年生产的数百万吨PET。他们假设，如果加以改进，酶回收平台可以彻底改变今天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。“随着研究人员意识到利用酶来分解塑料的潜力，来自世界各地的新论文点亮了科学文献，”英国朴茨茅斯大学(UoP)团队的科学家约翰·麦吉汉(John McGeehan)说。“来自制药和生物燃料等不同领域的专家能够重新利用几十年的研究经验来改造酶。”
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%。
事实上，贝克汉姆、麦吉汉和他的同事们在2018年至2021年发表的一系列被频繁引用的论文中，该团队表征了酶, 他们的效率提高了六倍，并分析了工业规模PET回收的环境和经济影响。相应的2022年论文评估生命周期对未来酶法PET回收的影响系统。这些研究取得了显著的成果。通过在生物反应器中处理PET 48小时，他们表明有可能将近98%的塑料转化为对苯二甲酸和乙二醇——高质量的回收建筑材料，用于制造新的PET瓶，甚至是更容易回收的高级塑料。“在一个发展如此迅速的领域工作是一种不可思议的经历，”麦吉汉补充道。“我们正在达到一个点，即合作科学具有巨大的潜力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。这种酶只对一小部分PET产品有效——那些由“无定形”PET制成的产品。他们在没有首先用高温和额外的能量软化它们的情况下，努力解构非常常见、耐用的PET“晶体”品种。结晶PET占所有PET产品的近90%，包括服装中的聚酯纤维和部分一次性饮料瓶。科学家们需要的是更善于分解结晶PET的酶，但愿他们能找到藏在泥土中的其他吃塑料的酶。
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幸运的是，该团队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，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。该模型将概率分配给迄今为止所研究的酶的独特组成。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投射。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人的短名单。进一步的测试证实了36个能够解构PET，24个以前在科学文献中没有描述过。重要的是，有些甚至比无定形的PET更擅长分解结晶的PET。“这些新的酶不仅在基因上具有多样性，”加多解释道。"它们的结构各不相同，活性中心的几何形状也各不相同."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。以测绘著称“整个蛋白质宇宙”借助其深度学习工具AlphaFold，DeepMind对这些酶进行了表征，因此该团队可以并排比较这些酶，并注意到它们的差异。所有工具都有能力解构PET，但有几个看起来惊人的不同。根据加多的说法，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。“最先进的人工智能方法帮助我们在酶数据中找到模式，这将增强对什么是好的塑料食用酶的理解，”加多补充道。“这将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。
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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，”他解释道。
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软化塑料的结合。“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PET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."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。石油衍生的对苯二甲酸历来售价为每公斤1至1.50美元。“我们的酶平台为清洁我们的海洋创造了经济激励，”前NREL博士后研究员Erika Erickson说，他进行了这些研究背后的大量实验工作。“在这样的价格点上，PET污染可以负担得起地回收到新的PET产品中，或者在风力涡轮机叶片或碳纤维保险杠中找到新的用途。”消费后的PET产品，通常是当今的污染源，可以转化为宝贵的资源，以支持更加环境可持续的塑料经济。不难想象这将如何改变塑料上的故事：PET回收成本如此之低，以至于经济学倾向于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。
