美國科學家利用人工智能開發出一種能夠快速分解 PET 類塑膠的新酵素，有望加速解決世界上最大的環境問題。
PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）是生活中最常見、用途廣泛的塑膠物料之一：飯盒、寶特瓶（常見的飲品膠樽）、餐具，還有紡織用的纖維「的確涼」、光碟、產品包裝等也由這種聚酯物質製造。眾所周知，這些塑膠通常需要幾百年才能降解。6 年前，日本科學家在一個寶特瓶回收廠附近的淤泥樣本中，首次發現可以降解 PET 的大阪堺菌（Ideonella sakaiensis）。它能夠分泌一種水解酶 PETase，把膠樽生物降解成有機小分子，再將之吸收以獲得能量生長。
理論上，PET 水解酶是一個可以用來發展綠色回收 PET 廢料的「潛力酵素」，幫助處理地球上數以十億噸計的塑膠垃圾。然而，這酵素因為本身蛋白質的特性而令其應用受到限制：只能在狹窄的 pH 和溫度範圍內維持穩定，和在室溫中反應速度慢。美國德州大學奧斯汀分校（UT-Austin）的化學工程師就看中了這個特別的酵素，研究如何透過蛋白質工程，將之修改成 PET 降解力更強的酵素。
Hal Alper 的研究團隊首先用機器學習演算法，從 1.9 萬種大小相似但功能不同的蛋白質結構中進行訓練。然後模擬 PET 水解酶內的 290 個氨基酸逐一產生突變，並與其他蛋白質比較，預測哪些突變可能提高酵素的穩定性和催化活性。在數百萬種可能的組合中，研究人員最終設計了一個包含 5 個突變的酵素，並將之命名為「FAST-PETase」（functional，active，stable and tolerant PETase）。這個用蛋白質工程改良過的新酵素可以降解 51 種不同塑膠產品，其中一個實驗顯示它可以在攝氏 50 度或以下的溫度中，於 48 小時內將一個完整的外賣盒完全分解，比天然PET水解酶的分解功效更強。
應用 FAST-PETase 大規模回收塑膠廢料目前尚有一段距離，現時大多數的 PET 是通過熔化和重塑來再造，所得塑膠性能會隨著每次循環而變差。如果他日可以靠酵素將 PET「解聚」（Depolymerization），生物降解成單體然後循環再造，則有望比現有的化學解聚方法消耗較少的能源，讓回收業更綠色。
這項研究結果於 2022 年 4 月 27 日發表在「自然」期刊（Nature）。
參考資料
Yoshida S, Hiraga K, Takehana T, Taniguchi I, Yamaji H, Maeda Y, Toyohara K, Miyamoto K, Kimura Y, Oda K. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science. 2016 Mar 11;351(6278):1196-9. doi: 10.1126/science.aad6359. PMID: 26965627.
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
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