“酶中戰(zhàn)斗機(jī)”現(xiàn)身，PET塑料遇克星

塑料在為人類帶來便利的同時(shí)，也導(dǎo)致了大量白色垃圾的出現(xiàn)，它們在自然界中的降解速度往往要以世紀(jì)為單位來進(jìn)行計(jì)算。

不過，在一篇新發(fā)表于《自然》的研究中，研究人員借助AI機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，開發(fā)了一種新的PET塑料（聚對苯二甲酸乙二酯）水解酶，能在1周內(nèi)降解50多種無需預(yù)處理的PET塑料。

48小時(shí)內(nèi)，F(xiàn)AST-PETase將PET塑料容器完全降解

圖片來源：參考文獻(xiàn)1

這種酶到底牛在哪里？AI又是如何輔助酶開發(fā)的呢？

Part.1

生化反應(yīng)的“魔法師”——酶

從高中課本中我們已經(jīng)了解到酶是活細(xì)胞制造的某些特殊蛋白質(zhì)（極少數(shù)是RNA），它們參與到生物體內(nèi)一系列生化反應(yīng)中，通過復(fù)雜而精妙的機(jī)制調(diào)控反應(yīng)進(jìn)行的速率、方向以及程度等，堪稱是生物體內(nèi)的魔法師。

但酶的作用環(huán)境早已不再局限于生物體內(nèi)，在現(xiàn)代工業(yè)體系下我們可以人工制備生物酶，并將其用于洗滌劑、原油污染處理、生物質(zhì)燃料制備、殺滅有害細(xì)菌等場合。這次新升級的PET水解酶就是人類最新研發(fā)的人工酶之一。

我們已經(jīng)提到，酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)一類的生物大分子，那么蛋白質(zhì)到底是一種怎樣的物質(zhì)，它們又是如何參與化學(xué)反應(yīng)的呢？

蛋白質(zhì)的組成單元是氨基酸，其結(jié)構(gòu)非常簡單。氨基酸結(jié)構(gòu)上的中心是碳原子，它一側(cè)連接氨基（-NH2，稱為N端），另一側(cè)連接羧基（-COOH，稱為C端）。而與碳原子相接的側(cè)鏈基團(tuán)R，則會因氨基酸種類的差別而有所不同。

首先，某個(gè)氨基酸的氨基和另外一個(gè)氨基酸的羧基可以發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，形成-CO-NH-的連接方式，這就是肽鍵。實(shí)際中的蛋白質(zhì)由一系列的氨基酸通過肽鍵聚合形成長鏈結(jié)構(gòu)。

兩個(gè)氨基酸脫水縮合的示意圖

圖片來源：wikipedia

但這一系列氨基酸又絕非沿著直線排列，而是會自發(fā)地形成某種空間結(jié)構(gòu)，好比一根毛線繞成了線團(tuán)。

最為神奇的是，這串氨基酸長鏈形成的“線團(tuán)”，并非是隨機(jī)“纏繞”形成，一旦組成蛋白質(zhì)的氨基酸序列確定下來，它們的“纏繞”方式也會確定，這就是所謂的“蛋白質(zhì)折疊”。

蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)（左）及蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中多樣化的蛋白質(zhì)（右）

圖片來源：OpenStax College

真正讓蛋白質(zhì)能夠發(fā)揮生理活性的關(guān)鍵，是它們特殊的空間結(jié)構(gòu)，一旦這種空間結(jié)構(gòu)被破壞（比如煮熟的雞蛋），就算組成蛋白質(zhì)的氨基酸序列不發(fā)生變化，蛋白質(zhì)所能行使的生理機(jī)能也會減弱、失活甚至是失控。

蛋白質(zhì)行使生理機(jī)能的本質(zhì)是參與各種化學(xué)反應(yīng)，它們復(fù)雜的多樣性意味著它們所能參與的反應(yīng)也有無限多的可能。

而酶作為特殊的蛋白質(zhì)，更是在調(diào)控生物化學(xué)反應(yīng)方面發(fā)揮著巨大作用，它們往往扮演著催化劑的角色，在酶存在的條件下，生化反應(yīng)速率能夠提高上億倍。

Part.2

酶中戰(zhàn)斗機(jī)——PET降解酶

全球每年產(chǎn)生和消費(fèi)的PET總量占到全球塑料消費(fèi)總量的六分之一，大約為1億噸，大部分的透明飲料瓶都是PET所制。

雖然PET是循環(huán)利用率最高的塑料制品之一，但最終實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用的PET制品也只有不到一半的數(shù)量。

由于PET這類高聚物中各單體間的化學(xué)鍵很難被普通方式破壞，在普通的塑料回收過程中，僅僅可以實(shí)現(xiàn)原料的降級再利用。

例如食品級PET塑料瓶回收后用來加熱溶解成PET顆粒，之后重新進(jìn)行熱加工，制成PET纖維，再利用纖維制造塑料繩或者塑料袋等。

而PET降解酶卻可以直接破壞這種高聚物中的化學(xué)鍵，將其還原為對環(huán)境影響很小的對苯二甲酸和乙二醇。

PET回收利用的經(jīng)典路線：分類——碾碎——制粉——化學(xué)纖維——環(huán)保編織袋

圖片來源：參考文獻(xiàn)3

本次登上《自然》雜志的最新成果，本質(zhì)上是用深度學(xué)習(xí)的方式來對PET降解酶進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，推動了這一技術(shù)走向?qū)嵱没倪M(jìn)程。我們先來了解一下這種改造的方式，再介紹一下深度學(xué)習(xí)的原理。

單個(gè)的酶分子好比是一部精心組裝的機(jī)器，氨基酸的序列和空間結(jié)構(gòu)就是它的組裝方式，組裝方式一旦不正確，即便零件都完好，機(jī)器也無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

正常情況下，酶都有一個(gè)活性條件，絕大多數(shù)酶在生物體內(nèi)發(fā)生作用，因此它們的活性溫度范圍一般都在生物體的生活溫度附近，且對于pH值也有一定要求。

假如我們想要在人體外的環(huán)境中利用酶來調(diào)控反應(yīng)，那么我們面對的各種條件變化就要復(fù)雜得多。

尤其是塑料降解一類的應(yīng)用場景，反應(yīng)條件幾乎完全不可控。很可能在實(shí)驗(yàn)室燒杯中能夠正常降解塑料的酶，到了自然界的海底淤泥或者垃圾填埋地就無法發(fā)揮威力了。那么，我們應(yīng)該如何解決這一問題呢？

左圖：PET分解細(xì)菌附著的PET薄膜表面，右圖：（部分）分解后的點(diǎn)蝕狀表面，右上小圖：分解前的薄膜表面

圖片來源：參考文獻(xiàn)4

本次《自然》雜志報(bào)道的論文顯示，研究人員將天然的PET水解酶上5個(gè)位點(diǎn)的氨基酸進(jìn)行替換后，獲得了一種突變型PET水解酶FAST-PETase。相比于天然的PET水解酶和其他工業(yè)酶，這種酶有極強(qiáng)的降解PET的能力和穩(wěn)定性，能在30~50℃和一定的pH值范圍內(nèi)發(fā)揮作用。

這項(xiàng)研究明白無誤地告訴我們，修改生物酶結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其活性的方法同樣可以應(yīng)用于PET降解酶。

要知道洗衣粉中的油污分解酶和生物質(zhì)燃料制造過程中的催化酶活性在十幾年的時(shí)間里提高了將近一千倍。

PET分解酶的分解路線

圖片來源：參考文獻(xiàn)4

不過，修改酶的結(jié)構(gòu)說起來簡單，但面對著這樣一個(gè)有著成千上萬氨基酸的復(fù)雜大分子，我們的改造到底應(yīng)該從何下手？

Part.3

“創(chuàng)造”PET降解酶的人工智能

也許大家在很小的時(shí)候就聽過這樣的一個(gè)比喻，計(jì)算機(jī)很笨，只會數(shù)豆子，但是他數(shù)的特別快，幾億顆豆子一眨眼就能數(shù)完。

這個(gè)例子非常形象地體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)進(jìn)行具體工作時(shí)的兩大特點(diǎn)，第一是計(jì)算能力強(qiáng)（數(shù)數(shù)快），第二是處理具體任務(wù)有具體的算法（比如數(shù)豆子就是枚舉法）。

目前的家用計(jì)算機(jī)算力都非常驚人，如果確實(shí)需要處理海量數(shù)據(jù)和復(fù)雜系統(tǒng)，還有工作站或者超級計(jì)算機(jī)之類更強(qiáng)的算力選項(xiàng)，因此算力對人類來說不是主要阻礙。

困擾我們的關(guān)鍵是算法，即如何用最有效的方式去解決復(fù)雜的問題。

所謂的人工智能，就是這樣一種算法的集合。以時(shí)下最流行的機(jī)器學(xué)習(xí)（可以認(rèn)為是人工智能的一種實(shí)現(xiàn)手段）來說，它大致的思路和原理就是先把一系列已有的數(shù)據(jù)（比如圍棋棋譜）輸入計(jì)算機(jī)，然后通過專門的算法模型（比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）讓計(jì)算機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合。

之后計(jì)算機(jī)就會像人類學(xué)習(xí)一樣，從這些數(shù)據(jù)中尋找規(guī)律，利用自己的算力進(jìn)行海量的試錯(cuò)（比如圍棋AI），從中選擇出最優(yōu)的結(jié)果。當(dāng)這個(gè)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的過程完成，整個(gè)AI就會進(jìn)化，從而具備解決相關(guān)問題的能力。

先進(jìn)的人工智能算法甚至允許在只有少量學(xué)習(xí)樣本的情況下讓計(jì)算機(jī)掌握相關(guān)技能。

好比圍棋AI的開發(fā)過程中，省去輸入棋譜的步驟，而是僅僅告知計(jì)算機(jī)圍棋相關(guān)的規(guī)則，計(jì)算機(jī)就會憑借相應(yīng)的算法來對這些規(guī)則進(jìn)行自我摸索和自我訓(xùn)練，當(dāng)訓(xùn)練完成就能擁有與人類頂級高手一戰(zhàn)的能力。至于訓(xùn)練所需的時(shí)間以及最終的學(xué)習(xí)效果，就要由計(jì)算機(jī)的配置以及具體算法的合理性和有效性來決定了。

以本次研究為例，科學(xué)家們將實(shí)驗(yàn)中得到的部分?jǐn)?shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)就可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來對酶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。從而在少量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，獲得傳統(tǒng)方式下只能通過枚舉法來實(shí)現(xiàn)的篩選結(jié)果，之后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證就會輕松許多了。

動圖：AlphaFold預(yù)測的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)（藍(lán)色）與實(shí)際結(jié)構(gòu)（綠色）對比，

來源：AlphaFold

Part.4

PET降解酶仍需進(jìn)一步評估

顧名思義，目前研發(fā)的PET降解酶是專門用來降解PET的，然而，塑料的種類并不是只有PET一種。

我們隨口就能說出一大串來：PE（聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）、PI（聚酰亞胺）、PF（酚醛樹脂）、特氟龍（聚四氟乙烯）、ABS樹脂（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）……

這些高分子材料的單體、聚合方式、聚合度，分子量全都不盡相同，適用于PET的降解酶是無法分解其余各種塑料的。

此外，也有科學(xué)家提出應(yīng)該對這種新處理方式的全生命周期進(jìn)行系統(tǒng)評估，以確定在培育細(xì)菌以及細(xì)菌分解塑料的過程中，溫室氣體的排放量是否在可接受的范圍。

如果在這一循環(huán)歷程中，溫室氣體的排放量直逼石油工業(yè)制造塑料過程中的排放，塑料降解生物酶的吸引力無疑將極大減弱。

所以，現(xiàn)階段嚴(yán)格控制塑料制品的應(yīng)用和規(guī)范廢棄，才是提高相關(guān)材料利用效率，同時(shí)減輕環(huán)境壓力的現(xiàn)實(shí)選擇。

參考文獻(xiàn):

1.Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04599-z

2.Scientists accidentally create mutant enzyme that eats plastic bottles

https://www.theguardian.com/environment/2018/apr/16/scientists-accidentally-create-mutant-enzyme-that-eats-plastic-bottles

3.A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aad6359

4.Discovery of a Bacterium that Degrades and Assimilates Poly(ethylene terephthalate) could Serve as a Degradation and/or Fermentation Platform for Biological Recycling of PET Waste Products

https://www.keio.ac.jp/en/press_releases/2016/cb96u90000005501-att/160330_2.pdf

出品：科普中國

作者：iFrec 陸修遠(yuǎn)

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