کمک هوش مصنوعی به توسعه آنزیمPET خوار
مهندسان دانشگاه تگزاس به کمک هوش مصنوعی آنزیم FAST-PETase را تولید کردند که در دمای محیط می‌تواند پلاستیک‌ها را در طول چند روز تجزیه کند.
نوعي آنزیم توسط مهندسان و دانشمندان دانشگاه تگزاس در آستین (ایالات متحده آمریکا) توليد شده كه می‌تواند پلاستیک‌های خنثی‌کننده محیط را که معمولاً قرن‌ها طول می‌کشد تا تجزیه شوند، در عرض چند ساعت تا چند روز، تجزیه مي‌کند. این کشف که اخیراً در مجله نیچر منتشر شده، می‌تواند به حل یکی از مهم‌ترین مشکلات زیست‌محیطی جهان کمک کند.
با میلیاردها تن زباله پلاستیکی که در محل‌های دفن زباله انباشته شده و زمین‌ها و آب‌های طبیعی ما را آلوده می‌کنند، چه باید کرد؟ این آنزیم پتانسیل افزایش بازیافت در مقیاس بزرگ را دارد که به صنایع بزرگ اجازه می‌دهد با بازیابی و استفاده مجدد از پلاستیک در سطح مولکولی، اثرات زیست‌محیطی خود را کاهش دهند.
هال آلپر، پروفسور دپارتمان مهندسی شیمی مک‌کتا در دانشگاه UT آستین، گفت: «امکانات برای استفاده از این فرآیند بازیافت پیشرو در صنایع، بی‌پایان است». فراتر از صنعت مدیریت پسماند آشکار، این آنزيم همچنین به شرکت‌های هر بخش این فرصت را می‌دهد تا در بازیافت محصولات خود پیشگام شوند. از طریق این رویکردهای آنزیمی پایدارتر، می‌توانیم یک اقتصاد چرخه‌ای پلاستیکی واقعی را تصور کنیم.
این پروژه بر روی پلی‌اتیلن ترفتالات (PET)، پلیمر قابل توجهی که در بیشتر بسته‌بندی‌های مصرف شده و 12درصد کل زباله‌های جهان را تشکیل می‌دهد، از‌جمله ظروف شیرینی، بطری‌های نوشابه، بسته‌بندی میوه و سالاد و الیاف و منسوجات خاص، تمرکز دارد.
این آنزیم توانست «فرایند چرخه‌ای» را برای شکستن پلاستیک به بخش‌های کوچک‌تر (دپلیمریزاسیون) و سپس قرار دادن مجدد آن در کنار هم (پلیمریزاسیون مجدد) تکمیل کند. در برخی موارد، این پلاستیک‌ها را می‌توان در کمتر از 24 ساعت به‌طور کامل به مونومر (واحدهای سازنده) تجزیه کرد.
محققان دانشکده مهندسی کاکرل و کالج علوم طبیعی، از یک مدل یادگیری ماشینی برای ایجاد جهش‌های جدید در آنزیمی طبیعی به‌نام PETase استفاده کردند که به باکتری‌ها اجازه می‌دهد پلاستیک‌های PET را تجزیه کنند. این مدل پیش‌بینی می‌کند که کدام جهش‌ها در این آنزیم‌ها می‌توانند به هدف دفع سریع پلاستیک زباله پس از مصرف در دماهای پایین دست یابند.
از طریق این فرآیند، که شامل مطالعه 51 ظرف پلاستیکی مختلف پس از مصرف، پنج الیاف پلی‌استر مختلف و پارچه و بطری‌های آب ساخته شده از PET بود، محققان اثربخشی آنزیمی را ثابت کردند که آن را FAST-PETase (PETase عملکردی، فعال، پایدار و متحمل) نامیدند.
اندرو الینگتون، استاد مرکز سیستم‌ها و زیست‌شناسی مصنوعی که تیمش هدایت توسعه مدل یادگیری ماشین را بر‌عهده داشت، گفت: «این کار واقعاً قدرت گرد‌هم‌آوری رشته‌های مختلف، از زیست‌شناسی مصنوعی گرفته تا مهندسی شیمی و هوش مصنوعی را نشان می‌دهد.»
بازیافت بدیهی‌‌ترین راه برای کاهش زباله‌های پلاستیکی است. اما در سطح جهان، کمتر از 10درصد از کل پلاستیک بازیافت شده است. متداول‌ترین روش برای دور انداختن پلاستیک، علاوه بر انداختن آن در محل دفن زباله، سوزاندن آن است که پرهزینه و انرژی‌بر است و گازهای مضر را به هوا پرتاب می‌کند. سایر فرآیندهای صنعتی جایگزین شامل فرآیندهای بسیار انرژی‌بر گلیکولیز، پیرولیز و یا متانولیز است.
محلول‌های بیولوژیکی انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کنند. تحقیقات در مورد آنزیم‌های بازیافت پلاستیک در 15 سال گذشته پیشرفت کرده است. با این حال، تاكنون هیچ‌کس نتوانسته بود بفهمد که چگونه آنزیم‌هایی بسازد که بتوانند به‌طور موثر در دماهای پایین کار کنند تا هم قابل حمل و هم مقرون به‌‌صرفه در مقیاس صنعتی بزرگ باشند. FAST-PETase می‌تواند فرآیند را در دمای کمتر از 50 درجه سانتی‌گراد انجام دهد.
در مرحله بعد، اين تیم قصد دارد روی افزایش تولید آنزیم کار کند تا برای کاربردهای صنعتی و محیطی آماده شود. محققان یک درخواست ثبت اختراع برای این فناوری ثبت کرده‌اند و به چندین کاربرد مختلف چشم دوخته‌اند. پاکسازی محل‌های دفن زباله و سبز کردن صنایعی که زباله تولید می‌کنند از همه بارزتر است. اما یکی دیگر از کاربردهای بالقوه، اصلاح محیطی است. این تیم در حال بررسی چندین راه برای بیرون آوردن آنزیم‌ها به میدان برای پاکسازی مکان‌های آلوده است.
هنگامی که برنامه‌های پاکسازی محیط را در نظر می‌گیرید، به آنزیمی نیاز دارید که بتواند در دمای محیط در محیط کار کند. آلپر گفت: این نیاز است که نشان می‌دهد فناوری ما در آینده مزیت بزرگی خواهد داشت.
آلپر، الینگتون، دانشیار مهندسی شیمی ناتانیل لیند و هونگیوان لو، محقق فوق‌دکترا در آزمایشگاه آلپر، این تحقیق را رهبری کردند.
منبع: https://cockrell.utexas.edu/
