塑料，由于轻便、耐用且成本低廉，曾在上个世纪被誉为最伟大的发明之一。然而如今，泛滥的“白色污染”已成为人尽皆知的环境大问题。
近几十年来，一次性塑料消费品的急剧上升和“一次性”文化的盛行，使这一问题越发严重。全球各个角落都有塑料的身影。它们“远在天边”——远到罕无人迹的南极洲冰原，深到地球最深处马里亚纳海沟，高到世界屋脊珠穆朗玛峰；又近在眼前：环境中的微塑料早已渗透到我们的食物、空气和水里。
越来越多的证据表明塑料带来了极大的生态挑战。此前已有研究显示，近种海洋物种、50多种淡水物种，以及广泛的陆地动物都曾吞食塑料。近日，科学家在人类婴儿的胎粪和血液中也发现了塑料的踪影。显然，塑料污染已影响着人类福祉的诸多方面。
此前，发表在《Science》上的一项研究显示，在未来二十年中，如果不进行广泛干预，将会有超过13亿吨的塑料废物流入世界海洋和陆地。
因此，广泛的干预策略已迫在眉睫。其实，回收再利用就是减少塑料垃圾最有效的方法。然而在全球范围内，只有不到10%的塑料被回收。
近日，发表在《Nature》上的一项研究中，来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队通过机器学习算法设计出一种强大且极具活性的水解酶，可以在24小时分解通常需要几个世纪才能降解的塑料。该研究为大规模塑料回收和再利用提供了解决方案。
在这项研究中，研究人员专注于解决聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的污染问题。PET是一种广泛存在于大多数消费品包装中的重要聚合物，通常用于矿泉水瓶、饮料瓶、水果和沙拉包装和各种家用电器的外观等。PET目前占全球垃圾总量的12%。
能降解PET的酶早在年就被报道，并已通过19种不同的PET水解酶（PHE）得到初步证明。然而，这些酶中的大多数只能在高反应温度和高度加工的底物时才显示出明显的水解活性。大多数其他PET水解酶在中等温度和中性pH条件下活性较差。因此极大限制了PET废物的原位/微生物降解解决方案。这一限制是至关重要的，因为40%的塑料废物将绕过回收系统流入自然环境中。
为此，研究人员使用机器学习模型来预测一种天然PET降解酶（PETase）的突变版本，以试图提高酶的热稳定性和活性。
通过工程改造和测试，天然酶的突变体产生了，研究人员将其称之为FAST-PETase（功能性、活性、稳定和耐受性PETase）。
与野生型PETase相比，FAST-PETase包含5个突变，并且相对于野生型和工程化替代品具有更高的PET降解活性。FAST-PETase可以在30-50℃的温度下降解PET塑料。
随后，研究人员用FAST-PETase测试了51种不同的消费后塑料容器、5种不同的聚酯纤维以及全部由PET制成的织物和水瓶，证明了该酶的有效性。在某些情况下，PET塑料可以在24小时内完全分解为单体。
此外，FAST-PETase可以从3克有色PET中生产出约2.8克无色PET，可合成食品级包装材料，这一过程突破了回收混合颜色PET产品的挑战。
研究人员表示，FAST-PETase能够真正实现回收闭环。
总的来说，这些结果证明了基于结构的机器学习在将中等温度下的水解酶转化为广泛的生物催化剂以实现循环塑料经济的应用。这项研究将有助于解决世界上最紧迫的环境问题之一。
目前，该团队已经为这项新技术提交了专利申请。接下来，他们计划扩大FAST-PETase的产量，以为工业和环境应用做准备。
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