科普│白色污染“破局”新突破？人工酶高效降解塑料！

塑料降解

从食品包装到家电产品，再到医疗器械乃至航天零件，轻便且耐用的塑料已经深入到我们社会的方方面面，成为了我们生活中不可或缺的材料。然而,大多数塑料具有“难以天然降解”的特性，这就好像是一把双刃剑一样，既赋予了塑料超长的使用寿命，也让废弃塑料成为环境的隐形杀手。随着时间的推移，散落在土壤和水体中的废弃塑料在风力和水流的作用下，会逐渐变为细小的颗粒，其中,直径小于5毫米的塑料颗粒被称为是“微塑料”，它们具有很强的吸附能力，容易被生物体摄入进到食物链中，进而对生态系统产生深远的影响。

垃圾分类回收是降低塑料危害的一个重要的法宝

例如，我们生活中常见的由PET聚酯塑料制成的饮料瓶、水果包装盒，在进行清洗、粉碎、熔炼、造粒等一系列流程后，就可以变身为绑带、家纺等填充物，这些是一些次级的PET产品，已经不能进入口中，也就是不能变成我们（饮用的）饮料瓶了。这些回收的塑料虽然可以让我们降级使用，但是它们最终还是要变为一个垃圾产品进行填埋和焚烧。

我们迫切需要一种能将塑料聚合物彻底降解为小分子单体的方法。随着人类活动范围的不断扩大，自然界目前已经出现了一些能够侵蚀PET塑料表面的微生物，科学家们从这些微生物中分离出了几种可以缓慢催化PET降解的酶，然而这些天然酶的催化效率较低，稳定性也不足，难以持续发挥作用。

克服难题

我们巧妙地运用人工智能的计算设计方法，以天然PET降解酶为蓝本，对它的活性中心和骨架结构进行改造，成功获得了两种性能出众的人工酶，其中持久降解酶DuraPETase在室温下就可以持续稳定的工作超过14天,将水中的微塑料颗粒完全降解，而高温降解酶TurboPETase则能在65度的条件下将水果包装盒的降解时间大幅缩短至8小时。在反应器等小型工业设施中，这种酶甚至能在短短8小时之内完全降解超过自身重量500倍的塑料颗粒，降解后得到的小分子产物可以回收并重新加工成符合饮料瓶标准的PET塑料。

我们利用Transformer模型，从序列的角度来挖掘功能的信息，并且辅助于我们团队自主研发的稳定性设计策略，从活性与稳定性上双重提升了PET降解酶的性能，这有助于我们将塑料更好地降解成小分子单体。

在第一代塑料降解酶DuraPETase的改造过程中，我们融合了基于时间尺度的从序列出发的MSA算法，以及基于结构的空间尺度的力场函数和统计函数，对塑料降解酶的单点突变进行预测。随后我们根据贪婪算法对单点突变进行叠加，最后 DuraPETase呈现出与野生型相比300倍效率的提升。

那么在第二代改造酶TurboPETase的改造过程中，我们首先利用Transformer model，从序列的角度来捕获功能的信息，随后我们依然利用之前介绍过的稳定性的预测算法，从力场函数、统计函数及自监督的图神经网络模型这些角度出发来预测单点突变。

我们还利用了反米氏方程，捕获了酶在非均相体系中对于塑料的吸附和解聚的特性，最后TurboPETase相较于目前最好的塑料降解酶，无论是稳定性还是降解性能都有了大幅度的提升。我们综合使用了力场函数、统计函数和人工智能算法，将塑料降解酶在非均相体系中的稳定性和催化特性进行了一个协同的提升，使它可以较好地吸附并解聚PET塑料。那么在塑料降解酶发挥解聚功能之前有一个先决条件，我们要将塑料进行一个回收，在回收之后，才可以使塑料降解酶发挥它可以解聚的作用。