T恤、地毯和汽水瓶有什么共同点?许多都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1940年代获得专利后彻底改变了材料行业。
PET由石油精炼制成，是一种以耐用性和多功能性着称的材料。它很容易被模塑成密封容器，编织成耐用的地毯，或纺成涤纶衣服。
美国国家可再生能源实验室(NREL)高级研究员兼美国能源部BOTTLE首席执行官GreggBeckham解释说：“现实情况是，大多数PET产品——尤其是PET服装和地毯——今天并没有使用传统的回收技术进行回收。”财团。“研究界正在开发有前途的替代品，包括旨在解聚PET的酶，但即使是这些选择也往往依赖于能源密集型和昂贵的预处理步骤才能有效。”
因此，今天生产的大多数PET最终都会进入垃圾填埋场或环境——甚至是真正进入回收箱的PET产品。
不过，贝克汉姆表示，这种说法正在迅速改变。机器学习和合成生物学的先进方法让科学家们对PET解构酶的基础生物学有了前所未有的了解。正如NatureCommunications上发表的一篇文章所详述的那样，贝克汉姆及其朴茨茅斯大学和蒙大拿州立大学的同事使用这些方法发现了新的酶变体，这些变体显示出无需额外预处理即可解构最坚硬的PET的希望。
这不仅意味着我们正处于对包括地毯和衣服在内的所有形式的PET进行酶促回收的风口浪尖——这意味着回收PET很快就会比用石油从头开始制造更便宜。
隐藏在泥土中的非凡酵素
PET酶促回收的概念自2005年就为人所知，但在日本科学家做出惊人发现后，它在2016年迅速登上了世界舞台。在日本一家回收设施外的泥土中，一种被他们称为Ideonellasakaiensis的细菌正在悄悄分泌酶，这些酶正在分解散落在各处的旧塑料饮料瓶。
大自然为切割PET的化学键提供了一种优雅的解决方案。不知何故，大自然正在展示如何将PET瓶变回制造它们的基本成分：对苯二甲酸和乙二醇。
随后进行了一系列研究。科学家们寻求增强工业技术中使用的酶，这些技术能够处理每年生产的数百万吨PET。他们假设，如果得到改进，酶促回收平台可以彻底改造当今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分解塑料的潜力，来自世界各地的新论文点亮了科学文献，”领导朴茨茅斯大学(UoP)团队贡献的科学家约翰·麦吉汉(JohnMcGeehan)说。英国。“来自制药和生物燃料等不同领域的专家能够重新利用数十年的工程酶研究经验。”
事实上，贝克汉姆、麦吉汉及其同事本身就是全球改进酶法PET回收工作的核心参与者。在2018年至2021年间发表的一系列被频繁引用的论文中，该团队对酶进行了表征，将其效率提高了六倍，并分析了工业规模PET回收的环境和经济影响。相应的2022年论文评估了未来酶促PET回收系统的生命周期影响。
这些研究取得了可衡量的结果。通过在生物反应器中处理PET48小时，他们表明可以将近98%的塑料转化回对苯二甲酸和乙二醇——用于制造新PET瓶甚至更高级塑料的高质量回收构建块易于回收。
“在一个发展如此迅速的领域工作是一次不可思议的经历，”麦吉汉补充道。“我们正在达到一个合作科学具有巨大潜力来加速大规模开发和推出基于酶的解决方案的地步。”
尽管取得了快速进展，但工业规模酶促回收的一个关键障碍隐约可见。
这些酶只对一小部分PET产品有效——那些由“无定形”PET制成的产品。他们努力解构非常常见、耐用的“结晶”PET品种，而没有先用高温和额外的能量软化它们。结晶PET占所有PET生产的近90%，包括服装中的聚酯纤维和一次性饮料瓶的部件。
科学家们需要的是更善于分解结晶PET的酶。如果他们能找到隐藏在泥土某处的其他以塑料为食的酶就好了。
通过机器学习“挖掘”新酶
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探索现有酶序列的庞大数据库成为可能，以了解在结晶PET上具有活性的品种。
NREL计算科学家JaphethGado说：“从数据库中找出新的塑料消化酶的传统方法可能是无效的，因为化学组成非常相似的酶可能不一定保留塑料解构活性。”
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解构酶的生物学规律。该模型将概率分配给迄今为止研究的酶的独特组成。Gado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。
这两个计算模型一起让Gado和同事投射到未知领域。在不到一个小时的时间里，他们筛选了超过2.5亿种蛋白质，创建了一份有希望的候选者的简短清单。进一步的测试证实，有36个能够解构PET，而24个以前在科学文献中没有描述过。
重要的是，有几种比无定形PET更能分解结晶PET。
“这些新酶不仅具有遗传多样性，”加多解释道。“它们在结构上多种多样，活性位点的几何形状各不相同。”
加多可以自信地谈论这24种新型酶的结构，因为他已经看到了它们的样子——至少在Alphabet的子公司DeepMind的研究人员提供的3D渲染图中是这样。DeepMind以使用其深度学习工具AlphaFold绘制“整个蛋白质宇宙”而闻名，它对酶进行了表征，因此团队可以并排比较这些酶并注意它们的差异。
所有人都能够解构PET，但有几个看起来彼此截然不同。根据Gado的说法，DeepMind的渲染图为了解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找到酶数据中的模式，这将加深对什么是一种好的塑料消化酶的理解，”加多补充道。“这将使我们能够通过蛋白质工程改进酶，并在自然界中找到性能相似的其他酶。”
这是本已成果丰硕的研究团队的又一进步，离大规模实现PET回收又近了一步。
更便宜、更环保：分析量化了酶促PET回收的优势
贝克汉姆表示，清洁、切碎和加热——准备解构PET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。
NREL和UoP的科学家开发了一种经济高效、环保的酶平台，可将消费后的PET快速分解回其相同的化学结构单元，即对苯二甲酸(TPA)和乙二醇(EG)。图片来源：NREL的伊丽莎白·斯通
“最大限度地减少这些预处理步骤对于使酶促回收成本与从石油中制造PET树脂相比具有竞争力至关重要，”他解释说。
在后续实验中，该团队指出，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。
“通过减少预处理，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生PET更便宜，”贝克汉姆补充道。“更好的是，它可以降低相关能源和温室气体排放。”
在2021年发表在Joule上的一篇早期文章中，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。当解构废弃的PET地毯和衣服时——用传统技术无法回收——他们还可以以每公斤不到1美元的价格生产对苯二甲酸。石油衍生的对苯二甲酸历来以每公斤1美元至1.50美元的价格出售。
“我们的酶促平台为清理我们的海洋创造了经济激励，”前NREL博士后研究员ErikaErickson说，他进行了研究背后的大部分实验工作。“在这样的价位上，PET污染可以经济地回收到新的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，以支持更具环境可持续性的塑料经济。
不难想象这会如何颠覆塑料的故事：PET的回收成本如此之低，以至于经济学倾向于将其扔进回收箱而不是垃圾桶。一件T恤、一块地毯、一个汽水瓶——所有这些都作为积木进入并开始它们的循环之旅，以创造一个更清洁、更绿色的世界。