如何緩解日益嚴(yán)峻的塑料危機(jī)，成為當(dāng)下極其緊迫的挑戰(zhàn)。對(duì)此，科學(xué)家也在尋找創(chuàng)新性的對(duì)策。去年，一篇《自然》論文就帶來了重要突破：加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)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。

一年之后，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(xué)奧斯汀分校的Hal Alper教授團(tuán)隊(duì)借助機(jī)器學(xué)習(xí)改造了一種酶，可以將以世紀(jì)為單位的塑料降解時(shí)間縮短到數(shù)小時(shí)至幾天。這個(gè)事關(guān)人類未來的關(guān)鍵問題，迎來了破解的希望。

全球范圍內(nèi)，只有不到10%的塑料得到循環(huán)利用。在過去的十余年間，對(duì)于降解塑料的酶，相關(guān)研究取得了大量進(jìn)展。但一個(gè)懸而未決的問題是，如何制造在低溫下能有效運(yùn)作的酶，從而實(shí)現(xiàn)低成本的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

這項(xiàng)研究試圖降解的是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET），在我們?nèi)粘Ｊ褂玫乃芰习b物中，絕大多數(shù)都含有這種聚合物。PET占到了全球固體垃圾的12%，如果能通過酶快速將其降解，隨后再聚合或轉(zhuǎn)化成其他產(chǎn)品，將有望實(shí)現(xiàn)循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)，大幅降低環(huán)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：只能在特定的酸堿度和溫度范圍內(nèi)起效，并且反應(yīng)速度有限，在降解之前還需要對(duì)塑料進(jìn)行預(yù)處理。

在這項(xiàng)研究中，Alper教授團(tuán)隊(duì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)PETase進(jìn)行改造。機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以預(yù)測(cè)哪些突變可以讓PETase在低溫下快速降解人們丟棄的塑料產(chǎn)品，在模型的指導(dǎo)之下，研究團(tuán)隊(duì)最終改造出全新的酶：FAST-PETase（功能性、活性、穩(wěn)定和耐受性PETase）。

這種酶可以在低于50℃、一系列不同的酸堿度條件下，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(shí)就能完全降解為單體。

為了檢驗(yàn)FAST-PETase降解不同PET塑料制品的有效性，這項(xiàng)研究利用FAST-PETase分別去降解51種未經(jīng)處理的PET塑料制品，包括各種塑料容器、聚酯纖維和織物等。結(jié)果，所有塑料都在一周內(nèi)徹底降解，最迅速的僅需1~2天。

這種酶可以幫助企業(yè)在分子水平上循環(huán)、再利用塑料，從而減少對(duì)環(huán)境的不利影響。Alper教授表示：“通過這項(xiàng)最先進(jìn)的回收技術(shù)，各行業(yè)可以看到無盡的可能性。”

接下來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃擴(kuò)大FAST-PETase的生產(chǎn)規(guī)模，為進(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。該團(tuán)隊(duì)正著眼于幾種不同的用途：不僅僅是清理垃圾填埋場(chǎng)中的塑料、讓工業(yè)生產(chǎn)更加綠色環(huán)保，還希望利用這種酶實(shí)現(xiàn)環(huán)境修復(fù)，清理受污染的區(qū)域。

因?yàn)樗芰衔廴?，這顆美麗的藍(lán)色星球正染上令人擔(dān)憂的白色?，F(xiàn)在，這些新興技術(shù)的誕生有望讓塑料污染危機(jī)迎來轉(zhuǎn)機(jī)。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