Tento objev, publikovaný v dubnu 2022 v časopise Nature, by mohl pomoci vyřešit jeden z největších světových ekologických problémů: tedy otázku, co dělat s miliardami tun plastového odpadu, který se hromadí na skládkách a znečišťuje naši přírodu a vodu. Tento enzym má potenciál supervýkonné recyklace ve velkém měřítku, která pomůže velkým průmyslovým odvětvím snížit jejich dopad na životní prostředí obnovou a opětovným využitím plastů na molekulární úrovni.
„Možnosti využití tohoto špičkového recyklačního procesu jsou v různých průmyslových odvětvích nekonečné," uvedl Hal Alper, profesor z katedry chemického inženýrství na univerzitě Austin. „Kromě samotného oboru nakládání s odpady také poskytuje společnostem z mnoha dalších odvětví příležitost převzít iniciativu v oblasti recyklace svých výrobků. Díky těmto udržitelnějším přístupům si můžeme začít představovat skutečné oběhové hospodářství plastů."
Projekt se zaměřuje na polyethylentereftalát (PET), významný polymer, který se nachází ve většině spotřebitelských obalů, jako jsou obaly od sušenek, ovoce a zeleniny či plastové lahve i některá vlákna a textilie. Tento polymer tvoří 12 % veškerého celosvětového odpadu.
Při pokusech byl nový enzym schopen dokončit "kruhový proces" rozkladu plastu na menší části (depolymerizace) a následně plast chemicky opět složit (repolymerizace). V některých případech lze tyto plasty zcela rozložit na monomery již za 24 hodin.
Výzkumníci z Cockrell School of Engineering a College of Natural Sciences použili model strojového učení k vytvoření nových mutací přírodního enzymu zvaného PETáza, který umožňuje bakteriím rozkládat PET plasty. Model předpovídá, které mutace těchto enzymů mohou rychle depolymerizovat plastový odpad při nízkých teplotách.
Vědci prokázali účinnost enzymu, který nazvali FAST-PETase (funkční, aktivní, stabilní a tolerantní PETáza) skrze postup, který zahrnoval studium 51 různých postspotřebitelských plastových obalů, pěti různých polyesterových vláken, tkanin a lahví na vodu vyrobených z PET.
"Tato práce skutečně ukazuje sílu spojení různých oborů, od syntetické biologie přes chemické inženýrství až po umělou inteligenci," řekl Andrew Ellington, profesor Centra pro systémovou a syntetickou biologii, jehož tým vedl vývoj modelu strojového učení.
Recyklace je zatím nejefektivnějším způsobem, jak snížit množství plastového odpadu. Celosvětově se však recykluje méně než 10 % všech plastů. Nejběžnějším způsobem likvidace plastů je kromě skládkování jejich spalování, které je nákladné, energeticky náročné a vypouští do ovzduší škodlivé plyny. Mezi další alternativní průmyslové procesy patří energeticky velmi náročné procesy glykolýzy, pyrolýzy nebo metanolýzy.
Biologická řešení vyžadují mnohem méně energie. Výzkum enzymů pro recyklaci plastů během posledních 15 let velmi pokročil. Dosud se však nikomu nepodařilo přijít na to, jak vyrobit enzymy, které by mohly účinně pracovat při nízkých teplotách, aby byly snadno převozitelné a zároveň cenově dostupné i ve velkém průmyslovém měřítku. FAST-PETase však zvládnou provádět proces rozkladu plastů i při teplotě nižší než 50 stupňů Celsia.
V dalším období tým plánuje výrobu enzymu rozšířit, aby bylo možné jej využívat i velkoplošně. Výzkumníci podali patentovou přihlášku na tuto technologii a uvažují o několika různých způsobech využití. Velký potenciál představuje čištění skládek a ekologizace průmyslových odvětví, která produkují velké množství odpadu. Dále pak sanace životního prostředí. Tým nyní zkoumá řadu způsobů, jak dostat enzymy do terénu, aby vyčistily znečištěná místa.
"Při vytváření aplikací pro čištění životního prostředí potřebujete enzym, který může pracovat v prostředí při teplotě okolí. V tomto požadavku má naše technologie do budoucna obrovskou výhodu," řekl Alper.
