Co by było, gdyby plastik pozostawiony na wysypisku mógł zostać "zjedzony" przez enzymy i poddany recyklingowi?

Naukowcy stworzyli enzym, który w ciągu kilku godzin rozkłada plastik, którego degradacja normalnie trwałaby wieki.

Odpady plastikowe są jednym z największych problemów, z jakimi boryka się obecnie ludzkość i są kluczowym czynnikiem przyspieszającym zmiany klimatyczne i globalne ocieplenie.

Enzym ten może stać się przełomem w dziedzinie recyklingu, ponieważ wcześniej szkodliwe tworzywa sztuczne mogą być poddane recyklingowi molekularnemu i ponownie wykorzystywane.

Politereftalan etylenu (PET) jest polimerem, który jest stosowany między innymi w  większość opakowań żywności, ale także powszechnie najtrudniejszym do recyklingu - globalnie stanowi 12 proc. odpadów z tworzyw sztucznych.

Badacze z Uniwersytetu w Teksasie uważają, że to odkrycie może mieć kluczowe znaczenie w redukcji ilości plastiku, który trafia na wysypiska, degradując środowisko naturalne i przyczyniając się w znaczącym stopniu do zmian klimatycznych.

Enzym skutecznie rozłożył PET na mniejsze części i złożył je z powrotem razem z innym składem chemicznym do nowego użytku.

Mniej niż 10 procent plastiku jest poddawane recyklingowi, a większość trafia na wysypiska lub jest spalana, co powoduje wykorzystanie znaczących ilości energii.

- Kiedy rozważa się zastosowania związane z oczyszczaniem środowiska, potrzebny jest enzym, który może pracować w środowisku w temperaturze otoczenia. To wymaganie sprawia, że nasza technologia ma ogromną przewagę w przyszłości - powiedział profesor Hal Alper z University of Texas.

Uczenie maszynowe kluczem do sukcesu

Enzym był w stanie wykonać proces rozkładania plastiku na mniejsze części (depolimeryzacja), a następnie chemiczne składanie go z powrotem (repolimeryzacja). W niektórych przypadkach te tworzywa sztuczne można całkowicie rozłożyć na monomery w ciągu zaledwie 24 godzin.

Naukowcy wykorzystali model uczenia maszynowego do wygenerowania nowych mutacji naturalnego enzymu zwanego PETazą, który umożliwia bakteriom degradację tworzyw sztucznych PET. Model przewiduje, które mutacje w tych enzymach osiągnęłyby cel, jakim jest szybka depolimeryzacja poużytkowych odpadów z tworzyw sztucznych w niskich temperaturach.

W ramach tego procesu, który obejmował badanie 51 różnych plastikowych pojemników pokonsumpcyjnych, pięciu różnych włókien i tkanin poliestrowych oraz butelek na wodę wykonanych z PET, udowodnili skuteczność enzymu, który nazwali FAST-PETazą (functional, active, stable and tolerant PETase).

Recykling to najbardziej oczywisty sposób na ograniczenie ilości odpadów z tworzyw sztucznych. Ale na całym świecie mniej niż 10 proc. całego plastiku zostało poddane recyklingowi. Najczęstszą metodą pozbywania się plastiku, poza wyrzucaniem go na wysypisko, jest spalanie, które jest kosztowne, energochłonne i emituje szkodliwe gazy do powietrza. Inne alternatywne procesy przemysłowe obejmują bardzo energochłonne procesy glikolizy, pirolizy i/lub metanolizy.

Roztwory biologiczne pobierają znacznie mniej energii. W ciągu ostatnich 15 lat poczyniono postępy w badaniach nad enzymami do recyklingu tworzyw sztucznych. Jednak do tej pory nikt nie był w stanie wymyślić, jak stworzyć enzymy, które mogłyby skutecznie działać w niskich temperaturach, aby były zarówno przenośne, jak i niedrogie na dużą skalę przemysłową. FAST-PETase może przeprowadzić proces w temperaturze poniżej 50 stopni Celsjusza.

W następnej kolejności zespół planuje pracować nad zwiększeniem skali produkcji enzymów, aby przygotować je do zastosowań przemysłowych i środowiskowych. Naukowcy złożyli wniosek patentowy na tę technologię i rozważają kilka różnych zastosowań. Oczyszczanie składowisk i zazielenianie przemysłów wytwarzających duże ilości odpadów to najbardziej oczywiste. Ale innym kluczowym potencjalnym zastosowaniem jest rekultywacja środowiska. Zespół szuka wielu sposobów na wydobycie enzymów w teren w celu oczyszczenia zanieczyszczonych miejsc.

Artykuł opublikowany na łamach Nature dostępny pod linkiem: nature.com