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塑料，由于輕便、耐用且成本低廉，曾在上個世紀(jì)被譽(yù)為最偉大的發(fā)明之一。然而如今，泛濫的“白色污染”已成為人盡皆知的環(huán)境大問題。
近幾十年來，一次性塑料消費(fèi)品的急劇上升和“一次性”文化的盛行，使這一問題越發(fā)嚴(yán)重。全球各個角落都有塑料的身影。它們“遠(yuǎn)在天邊”——遠(yuǎn)到罕無人跡的南極洲冰原，深到地球最深處馬里亞納海溝，高到世界屋脊珠穆朗瑪峰；又近在眼前：環(huán)境中的微塑料早已滲透到我們的食物、空氣和水里。
越來越多的證據(jù)表明塑料帶來了極大的生態(tài)挑戰(zhàn)。此前已有研究顯示，近700種海洋物種、50多種淡水物種，以及廣泛的陸地動物都曾吞食塑料。近日，科學(xué)家在人類嬰兒的胎糞和血液中也發(fā)現(xiàn)了塑料的蹤影。顯然，塑料污染已影響著人類福祉的諸多方面。
此前，發(fā)表在《Science》上的一項研究顯示，在未來二十年中，如果不進(jìn)行廣泛干預(yù)，將會有超過13億噸的塑料廢物流入世界海洋和陸地。
因此，廣泛的干預(yù)策略已迫在眉睫。其實，回收再利用就是減少塑料垃圾最有效的方法。然而在全球范圍內(nèi)，只有不到10%的塑料被回收。
近日，發(fā)表在《Nature》上的一項研究中，來自美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究團(tuán)隊通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法設(shè)計出一種強(qiáng)大且極具活性的水解酶，可以在24小時分解通常需要幾個世紀(jì)才能降解的塑料。該研究為大規(guī)模塑料回收和再利用提供了解決方案。
在這項研究中，研究人員專注于解決聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的污染問題。PET是一種廣泛存在于大多數(shù)消費(fèi)品包裝中的重要聚合物，通常用于礦泉水瓶、飲料瓶、水果和沙拉包裝和各種家用電器的外觀等。PET目前占全球垃圾總量的12%。能降解PET的酶早在2005年就被報道，并已通過19種不同的PET水解酶（PHE）得到初步證明。然而，這些酶中的大多數(shù)只能在高反應(yīng)溫度和高度加工的底物時才顯示出明顯的水解活性。大多數(shù)其他PET水解酶在中等溫度和中性pH條件下活性較差。因此極大限制了PET廢物的原位/微生物降解解決方案。這一限制是至關(guān)重要的，因為40%的塑料廢物將繞過回收系統(tǒng)流入自然環(huán)境中。
為此，研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型來預(yù)測一種天然PET降解酶（PETase）的突變版本，以試圖提高酶的熱穩(wěn)定性和活性。
通過工程改造和測試，天然酶的突變體產(chǎn)生了，研究人員將其稱之為FAST-PETase（功能性、活性、穩(wěn)定和耐受性PETase）。
與野生型PETase相比，FAST-PETase包含5個突變，并且相對于野生型和工程化替代品具有更高的PET降解活性。FAST-PETase可以在30-50℃的溫度下降解PET塑料。
隨后，研究人員用FAST-PETase測試了51種不同的消費(fèi)后塑料容器、5種不同的聚酯纖維以及全部由PET制成的織物和水瓶，證明了該酶的有效性。在某些情況下，PET塑料可以在24小時內(nèi)完全分解為單體。
此外，FAST-PETase可以從3克有色PET中生產(chǎn)出約2.8克無色PET，可合成食品級包裝材料，這一過程突破了回收混合顏色PET產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。
研究人員表示，FAST-PETase能夠真正實現(xiàn)回收閉環(huán)。
總的來說，這些結(jié)果證明了基于結(jié)構(gòu)的機(jī)器學(xué)習(xí)在將中等溫度下的水解酶轉(zhuǎn)化為廣泛的生物催化劑以實現(xiàn)循環(huán)塑料經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用。這項研究將有助于解決世界上最緊迫的環(huán)境問題之一。
