Ученые разработали фермент, способный разрушить пластик за 24 часа

Уже несколько лет научные исследования пытаются решить проблему утилизации пластиковых отходов. Например, некоторые исследования были посвящены деградации непереработанного ПЭТ-пластика с помощью природного фермента под названием ПЭТаза. Однако это решение все еще имело много недостатков, которые не позволяли применять его в больших масштабах. Новое исследование с использованием искусственного интеллекта на основе машинного обучения позволило предсказать мутации, необходимые для того, чтобы этот фермент переваривал различные виды пластмасс в зависимости от среды, в которой они находятся. Новый мутировавший фермент, названный ФАСТ-ПЕТаза, разлагал ПЭТ-пластик за рекордно короткое время (24 часа). Он также способен реполимеризовать пластик и предлагает устойчивое и недорогое решение по переработке. Несмотря на усилия по утилизации отходов, пластик остается одним из самых больших загрязнителей окружающей среды. Тем не менее мировое производство пластика продолжает расти на миллионы тонн каждый год. И несмотря на различные доступные сегодня решения по переработке, мы продолжаем производить новый пластик, потому что переработка по-прежнему слишком дорога. В период с 1993 по 2015 год это производство продолжало расти - со 162 млн до 448 млн тонн в год. Еще более поразительно: каждую минуту в мире продается около миллиона напитков в пластиковых бутылках. Лишь незначительная часть пластиковых отходов затем повторно используется, а подавляющее большинство оказывается в природе, резко угрожая естественным экосистемам. С 2015 года мы произвели более 6,9 млрд тонн пластиковых отходов, из которых только 9% было переработано. 12% сжигается, а 79% накапливается на свалках или выбрасывается в природу. Пластик настолько вездесущ, что теперь он просачивается повсюду и подвергает опасности жизнь многих живых существ, включая человека. Эти цифры показывают, в какой степени каждое вредное действие может либо полностью нарушить баланс нашей окружающей среды, либо, приняв более ответственные методы, изменить ситуацию к лучшему. Учитывая это, Техасский университет в Остине изучает ферментативный процесс, который может обеспечить более круговое использование пластика. Полученный из бактерии (Ideonella sakaiensis), обнаруженной в 2016 году в Японии, этот фермент (ПЭТаза) уже стал предметом многочисленных исследований, но его широкомасштабное применение наталкивается на различные проблемы. Например, он активируется только при температуре около 70 °C, что значительно ограничивает среду, в которой он может действовать. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, может наконец-то сделать возможным применение этого ферментативного процесса в больших масштабах. С помощью искусственного интеллекта, основанного на машинном обучении, ферменты могут быть настроены на быстрое переваривание различных пластмасс, даже при температуре ниже 50 °C и в широком диапазоне уровней pH. "Если рассматривать применение для восстановления окружающей среды, то необходим фермент, который может функционировать в окружающей среде при комнатной температуре. Сейчас это требование практически выполнено, поэтому наша технология может оказать огромное влияние в будущем", — объясняет в пресс-релизе Хэл Альпер, профессор кафедры химической инженерии МакКетта Техасского университета в Остине и один из авторов нового исследования. Результаты исследования многообещающие, поскольку пластик, на разложение которого в природе обычно уходят столетия, может быть деполимеризован в лучшем случае за несколько часов (в крайнем случае - недель). Циркулярный и экономичный процесс Технология американских исследователей основана на пластике ПЕТ - полимере, который в больших количествах производится во всем мире для изготовления пластиковых пакетов, бутылок для напитков и некоторых волокон, используемых в текстиле. По оценкам, на этот вид пластика приходится 12% мировых отходов. Используемая модель машинного обучения позволяет предсказать мутации, необходимые ПЭТазе для достижения целей оптимальной деполимеризации ПЭТ-пластиков. Чтобы создать наиболее эффективный фермент, технология учитывает окружающую температуру, pH и другие физико-химические факторы. Авторы исследования смогли проверить и доказать эффективность своего нового фермента FAST-PETase (Functional, Active, Stable and Tolerant PETase) на 51 различном постпотребительском пластике (пять различных полиэфирных волокон и тканей и бутылки для воды, все из ПЭТ). Кроме того, новый фермент способен восстанавливать пластик, который он разлагает (реполимеризация), что делает переработку не только менее затратной (как энергетически, так и финансово), но и более эффективной и экологичной. В частности, в текстильной промышленности и индустрии моды обычная переработка полимерных тканей настолько затруднена, что эти отрасли являются вторым/третьим крупнейшими загрязнителями на планете, сразу после нефтяной промышленности. Наиболее распространенные методы, используемые для разложения пластмасс, включают сжигание, гликолиз и пиролиз, все из которых очень энергоемки и дороги. Технология ФАСТ-ПЕТаза может применяться на промышленном уровне для снижения воздействия на окружающую среду, а также для экономии материалов благодаря круговому процессу. Кроме того, исследователи планируют продолжить разработку фермента, чтобы его можно было активировать в любой внешней среде. Это может позволить ей очищать наиболее загрязненные участки, такие как свалки.

Лишь незначительная часть пластиковых отходов затем повторно используется, а подавляющее большинство оказывается в природе, резко угрожая естественным экосистемам. С 2015 года мы произвели более 6,9 млрд тонн пластиковых отходов, из которых только 9% было переработано. 12% сжигается, а 79% накапливается на свалках или выбрасывается в природу. Пластик настолько вездесущ, что теперь он просачивается повсюду и подвергает опасности жизнь многих живых существ, включая человека. Эти цифры показывают, в какой степени каждое вредное действие может либо полностью нарушить баланс нашей окружающей среды, либо, приняв более ответственные методы, изменить ситуацию к лучшему. Учитывая это, Техасский университет в Остине изучает ферментативный процесс, который может обеспечить более круговое использование пластика. Полученный из бактерии (Ideonella sakaiensis), обнаруженной в 2016 году в Японии, этот фермент (ПЭТаза) уже стал предметом многочисленных исследований, но его широкомасштабное применение наталкивается на различные проблемы. Например, он активируется только при температуре около 70 °C, что значительно ограничивает среду, в которой он может действовать. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, может наконец-то сделать возможным применение этого ферментативного процесса в больших масштабах. С помощью искусственного интеллекта, основанного на машинном обучении, ферменты могут быть настроены на быстрое переваривание различных пластмасс, даже при температуре ниже 50 °C и в широком диапазоне уровней pH. "Если рассматривать применение для восстановления окружающей среды, то необходим фермент, который может функционировать в окружающей среде при комнатной температуре. Сейчас это требование практически выполнено, поэтому наша технология может оказать огромное влияние в будущем", — объясняет в пресс-релизе Хэл Альпер, профессор кафедры химической инженерии МакКетта Техасского университета в Остине и один из авторов нового исследования. Результаты исследования многообещающие, поскольку пластик, на разложение которого в природе обычно уходят столетия, может быть деполимеризован в лучшем случае за несколько часов (в крайнем случае - недель). Циркулярный и экономичный процесс Технология американских исследователей основана на пластике ПЕТ - полимере, который в больших количествах производится во всем мире для изготовления пластиковых пакетов, бутылок для напитков и некоторых волокон, используемых в текстиле. По оценкам, на этот вид пластика приходится 12% мировых отходов. Используемая модель машинного обучения позволяет предсказать мутации, необходимые ПЭТазе для достижения целей оптимальной деполимеризации ПЭТ-пластиков. Чтобы создать наиболее эффективный фермент, технология учитывает окружающую температуру, pH и другие физико-химические факторы. Авторы исследования смогли проверить и доказать эффективность своего нового фермента FAST-PETase (Functional, Active, Stable and Tolerant PETase) на 51 различном постпотребительском пластике (пять различных полиэфирных волокон и тканей и бутылки для воды, все из ПЭТ). Кроме того, новый фермент способен восстанавливать пластик, который он разлагает (реполимеризация), что делает переработку не только менее затратной (как энергетически, так и финансово), но и более эффективной и экологичной. В частности, в текстильной промышленности и индустрии моды обычная переработка полимерных тканей настолько затруднена, что эти отрасли являются вторым/третьим крупнейшими загрязнителями на планете, сразу после нефтяной промышленности. Наиболее распространенные методы, используемые для разложения пластмасс, включают сжигание, гликолиз и пиролиз, все из которых очень энергоемки и дороги. Технология ФАСТ-ПЕТаза может применяться на промышленном уровне для снижения воздействия на окружающую среду, а также для экономии материалов благодаря круговому процессу. Кроме того, исследователи планируют продолжить разработку фермента, чтобы его можно было активировать в любой внешней среде. Это может позволить ей очищать наиболее загрязненные участки, такие как свалки.