全球每年生產(chǎn)約4億噸塑料，這一數(shù)字每年以4%左右的速度增長(zhǎng)。它們制造過(guò)程中產(chǎn)生的排放是導(dǎo)致氣候變化的因素之一，它們?cè)谏鷳B(tài)系統(tǒng)中無(wú)處不在，導(dǎo)致了嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題。
其中最常用的是PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)，它在許多包裝和飲料瓶中都有。隨著時(shí)間的推移，這種材料磨損成越來(lái)越小的顆粒——所謂的微塑料——這加劇了環(huán)境問(wèn)題。PET已經(jīng)占到全球塑料產(chǎn)量的10%以上，而且回收利用稀缺且效率低下?，F(xiàn)在，來(lái)自巴塞羅那超級(jí)計(jì)算中心-國(guó)家中心Supercomputación (BSC-CNS)的科學(xué)家們，與CSIC催化和石化研究所(ICP-CSIC)和馬德里康普頓斯大學(xué)(UCM)的研究小組一起，開(kāi)發(fā)了能夠降解PET微塑料和納米塑料的人造蛋白質(zhì)，并將其還原為基本成分，這將使它們能夠被分解或回收。他們使用了一種來(lái)自草莓?？?Actinia fragacea)的防御蛋白，并在使用計(jì)算方法設(shè)計(jì)后添加了新功能。研究結(jié)果發(fā)表在《自然催化》雜志上。
擴(kuò)大自然
“我們正在做的事情就像給一個(gè)人增加手臂一樣，”Víctor Guallar解釋說(shuō)，他是BSC的ICREA教授，也是這項(xiàng)研究的作者之一。這些臂只由三種氨基酸組成，就像剪刀一樣能夠切割小的PET顆粒。研究人員解釋說(shuō)，在這種情況下，它們被添加到一種來(lái)自?？牡鞍踪|(zhì)中，這種蛋白質(zhì)原則上缺乏這種功能，在自然界中“起著細(xì)胞鉆孔、打開(kāi)毛孔和防御機(jī)制的作用”。
機(jī)器學(xué)習(xí)和超級(jí)計(jì)算機(jī)(如BSC的MareNostrum 4)用于這種蛋白質(zhì)工程，可以“預(yù)測(cè)粒子將在哪里結(jié)合，以及我們必須將新氨基酸放置在哪里，以便它們發(fā)揮作用，”瓜拉爾總結(jié)道。由此產(chǎn)生的幾何形狀與酒井Idionella sakaiensis細(xì)菌中的PETase酶非常相似，后者能夠降解這種塑料，并于2016年在日本的一家包裝回收廠被發(fā)現(xiàn)。
結(jié)果表明，這種新蛋白質(zhì)能夠降解PET微塑料和納米塑料，“在室溫下，其效率比目前市場(chǎng)上的PETases高5到10倍，”瓜拉爾解釋說(shuō)。其他方法需要高于70°C的溫度才能使塑料更易于成型，這會(huì)導(dǎo)致高二氧化碳排放并限制其適用性。此外，選擇這種蛋白質(zhì)的孔狀結(jié)構(gòu)是因?yàn)樗试S水通過(guò)，而且它可以固定在類似于海水淡化廠使用的膜上。這將有助于其以過(guò)濾器的形式使用，“可以用于凈化工廠來(lái)降解那些我們看不見(jiàn)的顆粒，但這些顆粒很難消除，而且我們會(huì)攝入，”負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的ICP-CSIC研究教授曼紐爾·費(fèi)雷爾說(shuō)。
允許凈化和/或回收的設(shè)計(jì)
這種新蛋白質(zhì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)新氨基酸的位置設(shè)計(jì)了兩種變體。結(jié)果是，每一種都會(huì)產(chǎn)生不同的產(chǎn)品。其中一種變體可以更徹底地分解PET顆粒，因此它可以用于污水處理廠的降解。另一種方法產(chǎn)生回收所需的初始組件。“通過(guò)這種方式，我們可以根據(jù)需要提純或回收，”勞拉Fernández López解釋說(shuō)，她正在CSIC催化與石油化學(xué)研究所(ICP-CSIC)撰寫博士論文。
根據(jù)研究人員的說(shuō)法，目前的設(shè)計(jì)可能已經(jīng)有了應(yīng)用，但是“蛋白質(zhì)的靈活性，就像一個(gè)多用途工具一樣，將允許添加和測(cè)試新的元素和組合，”馬德里康普頓斯大學(xué)的Sara García Linares博士解釋說(shuō)，他也參與了這項(xiàng)研究。Ferrer總結(jié)道:“我們正在尋找的是將大自然提供的蛋白質(zhì)和機(jī)器學(xué)習(xí)的潛力與超級(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)，使我們能夠?qū)崿F(xiàn)健康的零塑料環(huán)境。”
“計(jì)算方法和生物技術(shù)可以讓我們找到許多影響我們的生態(tài)問(wèn)題的解決方案，”瓜拉爾總結(jié)道。
（文章來(lái)源：www.ebiotrade.com/newsf/2023-10） | 
