به گزارش زیستنا به نقل از ScitechDaily، واریانت آنزیم جدیدی می‌تواند پلاستیک‌های مشکل‌آفرین برای محیط زیست را که معمولاً قرن‌ها طول می‌کشد تا تجزیه شوند در مدت چند ساعت تا چند روز تجزیه کند. این آنزیم را مهندسان شیمی و دانشمندان دانشگاه تگزاس در آستین ساخته‌اند.
گزارش این کشف به‌تازگی در ژورنال Nature منتشر شده است و می‌تواند به حل یکی از بزرگ‌ترین مشکلات زیست‌محیطی جهان کمک کند. این آنزیم ممکن است بتواند ما را در حل مسئله میلیاردها تن زباله پلاستیکی یاری کند. زباله‌هایی که در محل‌های دفن زباله انباشته شده و زمین‌ها و آب‌های طبیعی ما را آلوده می‌کنند. این آنزیم دارای توانایی سرعت بخشیدن به بازیافت در مقیاس وسیع است که صنایع عمده را قادر می‌سازد تا با بازیابی و استفاده دوباره از پلاستیک در سطح مولکولی، پیامدهای زیست‌محیطی خود را کاهش دهند.
پروفسور هال آلپر (Hal Alper)، از بخش مهندسی شیمی مک‌کتا (McKetta) در دانشگاه تگزاس در آستین گفت: «فرصت‌ها در میان صنایع برای استفاده حداکثری از این فرایند بازیافت پیشرو نامحدود است. وی ادامه داد: «فراتر از تأثیر بدیهی آن بر صنعت مدیریت پسماند، این یافته برای شرکت‌های هر بخش این فرصت را فراهم می‌کند تا در بازیافت محصولات خود پیشگام باشند. از طریق این رویکردهای آنزیمی دوستدار محیط زیست، می‌توانیم اقتصاد چرخه‌ای پلاستیک واقعی را تصور کنیم.»
این طرح روی پلی‌اتیلن ترفتالات (polyethylene terephthalate) یا به‌اختصار PET متمرکز شده است. PET پلیمر مهمی است که در اکثر بسته‌بندی‌های مصرفی از جمله ظروف شیرینی، بطری‌های نوشابه، بسته‌بندی میوه و سالاد و الیاف و منسوجات خاص یافت می‌شود. این ماده ۱۲ درصد از کل زباله‌های جهان را تشکیل می‌دهد.
PET رایج‌ترین رزین پلیمری ترموپلاستیک در خانواده پلی‌استرها است و در الیاف لباس، ظروف مایعات و غذاها و فرایند شکل‌دهی حرارتی (thermoforming) برای تولید استفاده می‌شود.
این آنزیم توانست «فرایند چرخه‌ای» (circular process) تجزیه پلاستیک به بخش‌های کوچک‌تر (دپلیمریزاسیون) و سپس قرار دادن دوباره آن در کنار یکدیگر (پلیمریزاسیون مجدد) را کامل کند. در برخی موارد، این پلاستیک‌ها می‌توانند در مدت کمتر از ۲۴ ساعت به‌طور کامل به مونومر تجزیه شوند.
پژوهشگران دانشکده مهندسی کوکرل (Cockrell) و کالج علوم طبیعی از یک مدل یادگیری ماشینی برای ایجاد جهش‌های جدید در آنزیمی طبیعی به نام PETase استفاده کردند. این آنزیم به باکتری‌ها اجازه می‌دهد پلاستیک‌های PET را تجزیه کنند. این مدل پیش‌بینی می‌کند که کدام جهش‌ها در این آنزیم‌ها می‌توانند دپلیمریزاسیون سریع زباله پلاستیکی پس از مصرف را در دماهای پایین عملی کنند.
پژوهشگران از طریق این فرایند که شامل مطالعه ۵۱ ظرف پلاستیکی مختلف پس از مصرف، پنج نوع الیاف و پارچه پلی‌استر متفاوت و بطری‌های آب ساخته‌شده از PET بود، اثربخشی یک آنزیم را اثبات کردند. آن‌ها این آنزیم را FAST-PETase نامیدند. واژه FAST برگرفته از ابتدای واژگان functional به معنای کارآمد، active به معنای فعال، stable به معنای پایدار و واژه tolerant به معنای تاب‌آور است.
اندرو الینگتون (Andrew Ellington) استاد مرکز زیست‌شناسی مصنوعی و سامانه‌ها که گروهش توسعه مدل یادگیری ماشینی را هدایت کرد، گفت: «این کار واقعاً قدرت کنار هم قرار دادن زمینه‌های متفاوت، از زیست‌شناسی مصنوعی گرفته تا مهندسی شیمی تا هوش مصنوعی را نشان می‌دهد.»
بازیافت بدیهی‌ترین راه برای کاهش زباله‌های پلاستیکی است. اما کمتر از ۱۰ درصد از کل پلاستیک در سطح جهان بازیافت شده است. رایج‌ترین روش برای دفع پلاستیک، علاوه بر ریختن آن در محل دفن زباله، سوزاندن آن است. این کار پرهزینه است و انرژی زیادی صرف می‌کند و گازهای مضر را به هوا منتشر می‌کند. سایر فرایندهای صنعتی جایگزین شامل فرآیندهای گلیکولیز (glycolysis)، پیرولیز (pyrolysis)، و/یا متانولیز (methanolysis) هستند که بسیار انرژی صرف می‌کنند.
راه‌حل‌های زیستی انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کنند. پژوهش روی آنزیم‌های بازیافت پلاستیک در ۱۵ سال گذشته پیشرفت داشته است. بااین‌حال، تاکنون کسی درنیافته بود که چگونه آنزیم‌هایی بسازد که بتوانند به‌طور کارآمدی در دماهای پایین کار کنند. عملکرد آنزیم در دمای پایین این فرایند را در مقیاس صنعتی بزرگ هم قابل‌انتقال و هم مقرون‌به‌صرفه می‌کند. FAST-PETase می‌تواند این فرایند را در دمای کمتر از ۵۰ درجه سانتی‌گراد انجام دهد.
در ادامه، این گروه قصد دارد روی افزایش مقیاس تولید آنزیم کار کند تا برای کاربردهای صنعتی و محیطی آماده شود. محققان درخواستی را برای ثبت اختراع برای این فناوری ثبت کرده‌اند و به کاربردهای گوناگونی برای آن چشم دوخته‌اند. پاک‌سازی محل‌های دفن زباله و سبز کردن صنایعی که زباله بسیاری تولید می‌کنند از بارزترین این موارد هستند. اما یکی دیگر از کاربردهای بالقوه آن احیاء محیط زیست است. این گروه در حال بررسی راهی برای خارج کردن آنزیم‌ها از آزمایشگاه و بردن آن به فضای عملیاتی برای پاک‌سازی مکان‌های آلوده است.
آلپر گفت: «هنگامی‌که کاربردهای پاک‌سازی محیط را در نظر می‌گیرید، به آنزیمی نیاز دارید که بتواند در دمای محیط در محیط زیست کار کند. این نیاز نکته‌ای است که فناوری ما در آینده مزیت بزرگی خواهد داشت.»
منبع: ScitechDaily
Journal Reference:
Lu, Hongyuan, Daniel J. Diaz, Natalie J. Czarnecki, Congzhi Zhu, Wantae Kim, Raghav Shroff, Daniel J. Acosta, et al. “Machine Learning-Aided Engineering of Hydrolases for PET Depolymerization.” Nature ۶۰۴, no. 7907 (April 28, 2022): 662–۶۷. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04599-z.