每一年，全球生產的塑料達到驚人的3億噸，但當它們結束使命，如何處理這些穩定的聚合物成為一道難題。在全球各地，數十億噸塑料垃圾埋藏在垃圾填埋場里，污染着當地土壤與水源，還能以微塑料的形式出現在人體的血液、糞便甚至是胎盤中……
如何緩解日益嚴峻的塑料危機，成為當下極其緊迫的挑戰。對此，科學家也在尋找創新性的對策。去年，一篇《自然》論文就帶來了重要突破：加州大學伯克利分校的研究團隊發明了一種可降解塑料：在40℃的堆肥條件下，塑料僅需兩天就能得到降解。
一年之後，另一篇《自然》論文從不同的角度提出了解決方案。得克薩斯大學奧斯汀分校的Hal Alper教授團隊藉助機器學習改造了一種酶，可以將以世紀為單位的塑料降解時間縮短到數小時至幾天。這個事關人類未來的關鍵問題，迎來了破解的希望。
全球範圍內，只有不到10%的塑料得到循環利用。在過去的十餘年間，對於降解塑料的酶，相關研究取得了大量進展。但一個懸而未決的問題是，如何製造在低溫下能有效運作的酶，從而實現低成本的大規模工業應用。
這項研究試圖降解的是聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），在我們日常使用的塑料包裝物中，絕大多數都含有這種聚合物。PET佔到了全球固體垃圾的12%，如果能通過酶快速將其降解，隨後再聚合或轉化成其他產品，將有望實現循環碳經濟，大幅降低環境污染。
在自然界，一種名為PETase的酶可以降解PET，但也存在明顯的缺陷：只能在特定的酸鹼度和溫度範圍內起效，並且反應速度有限，在降解之前還需要對塑料進行預處理。
在這項研究中，Alper教授團隊使用機器學習模型對PETase進行改造。機器學習模型可以預測哪些突變可以讓PETase在低溫下快速降解人們丟棄的塑料產品，在模型的指導之下，研究團隊最終改造出全新的酶：FAST-PETase（功能性、活性、穩定和耐受性PETase）。
這種酶可以在低於50℃、一系列不同的酸鹼度條件下，將PET解聚、降解成小分子。在一些條件下，這些塑料僅需24小時就能完全降解為單體。
為了檢驗FAST-PETase降解不同PET塑料製品的有效性，這項研究利用FAST-PETase分別去降解51種未經處理的PET塑料製品，包括各種塑料容器、聚酯纖維和織物等。結果，所有塑料都在一周內徹底降解，最迅速的僅需1~2天。
這種酶可以幫助企業在分子水平上循環、再利用塑料，從而減少對環境的不利影響。Alper教授表示：“通過這項最先進的回收技術，各行業可以看到無盡的可能性。”
接下來，研究團隊計劃擴大FAST-PETase的生產規模，為進一步的工業應用奠定基礎。該團隊正着眼於幾種不同的用途：不僅僅是清理垃圾填埋場中的塑料、讓工業生產更加綠色環保，還希望利用這種酶實現環境修復，清理受污染的區域。
因為塑料污染，這顆美麗的藍色星球正染上令人擔憂的白色。現在，這些新興技術的誕生有望讓塑料污染危機迎來轉機。我們期待，這顆星球能回到最初、最美的顏色。
參考資料：
[1] Lu， H。， Diaz， D.J。， Czarnecki， N.J。 et al。 Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization。 Nature 604， 662–667 （2022）。 https://doi.org/10.1038/s41586-022-04599-z
[2] Plastic-eating enzyme could eliminate billions of tons of landfill waste。 Retrieved Apr 27th， 2022 from https：//www.eurekalert.org/news-releases/950900