„Enzymkämpfer“ erscheint, PET-Kunststoff trifft auf seinen Erzfeind

Obwohl Kunststoffe für den Menschen praktisch sind, führen sie auch zur Entstehung großer Mengen an weißem Müll. Ihre Abbaurate in der Natur wird oft in Jahrhunderten berechnet.

In einer neuen, in Nature veröffentlichten Studie verwendeten Forscher jedoch ein KI-basiertes maschinelles Lernsystem, um eine neue PET-Kunststoffhydrolase (Polyethylenterephthalat) zu entwickeln, die innerhalb einer Woche mehr als 50 Arten von PET-Kunststoffen ohne Vorbehandlung abbauen kann.

Innerhalb von 48 Stunden zersetzt FAST-PETase PET-Kunststoffbehälter vollständig

Bildquelle: Referenz 1

Was ist so toll an diesem Enzym? Wie unterstützt KI die Enzymentwicklung?

Teil 1

Enzyme, die Zauberer biochemischer Reaktionen

Aus Schulbüchern haben wir gelernt, dass Enzyme bestimmte spezielle Proteine ​​sind (eine sehr kleine Anzahl davon sind RNA), die von lebenden Zellen produziert werden. Sie sind an einer Reihe biochemischer Reaktionen im Körper beteiligt und regulieren die Geschwindigkeit, Richtung und das Ausmaß der Reaktionen durch komplexe und hochentwickelte Mechanismen. Man könnte sie als Magier des Körpers bezeichnen.

Die Umgebung, in der Enzyme funktionieren, ist jedoch nicht mehr auf lebende Organismen beschränkt. Im modernen Industriesystem können wir biologische Enzyme künstlich herstellen und sie in Reinigungsmitteln, zur Behandlung von Rohölverschmutzung, zur Herstellung von Biomassebrennstoffen, zum Abtöten schädlicher Bakterien und für andere Zwecke verwenden. Die neu verbesserte PET-Hydrolase ist eines der neuesten künstlichen Enzyme, die vom Menschen entwickelt wurden.

Wir haben erwähnt, dass es sich bei Enzymen im Wesentlichen um biologische Makromoleküle wie Proteine ​​handelt. Was also ist ein Protein und wie nimmt es an chemischen Reaktionen teil?

Die Bausteine ​​des Proteins sind Aminosäuren, die eine sehr einfache Struktur haben. Das Zentrum der Aminosäurestruktur ist ein Kohlenstoffatom, das auf der einen Seite mit der Aminogruppe (-NH2, N-Terminus genannt) und auf der anderen Seite mit der Carboxylgruppe (-COOH, C-Terminus genannt) verbunden ist. Die an das Kohlenstoffatom gebundene Seitenkettengruppe R variiert je nach Art der Aminosäure.

Erstens können die Aminogruppe einer Aminosäure und die Carboxylgruppe einer anderen Aminosäure eine Dehydratationskondensationsreaktion eingehen, um eine -CO-NH-Verbindung zu bilden, bei der es sich um eine Peptidbindung handelt. In Wirklichkeit bestehen Proteine ​​aus einer Reihe von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen polymerisiert sind und lange Kettenstrukturen bilden.

Schematische Darstellung der Dehydratationskondensation zweier Aminosäuren

Bildquelle: Wikipedia

Allerdings ist diese Aminosäurenreihe keineswegs geradlinig angeordnet, sondern bildet spontan eine gewisse räumliche Struktur, ähnlich wie ein zu einem Knäuel gewickeltes Wollstück.

Das Erstaunlichste daran ist, dass der „Knäuel“, der aus dieser langen Kette von Aminosäuren besteht, nicht durch zufällige „Verschränkung“ entstanden ist. Sobald die Aminosäuresequenz, aus der das Protein besteht, bestimmt ist, wird auch die Methode ihrer „Verschränkung“ bestimmt. Dabei handelt es sich um die sogenannte „Proteinfaltung“.

Die Quartärstruktur eines Proteins (links) und die verschiedenen Proteine ​​in der Proteindatenbank (rechts)

Bildquelle: OpenStax College

Der Schlüssel zur Entfaltung der physiologischen Aktivität von Proteinen liegt in ihrer besonderen räumlichen Struktur. Wenn diese räumliche Struktur zerstört wird (wie etwa bei einem gekochten Ei), werden die physiologischen Funktionen, die das Protein erfüllen kann, geschwächt, inaktiviert oder geraten sogar außer Kontrolle, selbst wenn sich die Aminosäuresequenz, aus der das Protein besteht, nicht ändert.

Das Wesen von Proteinen, die physiologische Funktionen erfüllen, besteht darin, an verschiedenen chemischen Reaktionen teilzunehmen. Aufgrund ihrer komplexen Vielfalt sind die Möglichkeiten ihrer Reaktionen unendlich.

Enzyme spielen als spezielle Proteine ​​eine große Rolle bei der Regulierung biochemischer Reaktionen. Sie wirken oft als Katalysatoren. In Gegenwart von Enzymen kann die Geschwindigkeit biochemischer Reaktionen um das Hundertmillionenfache erhöht werden.

Teil 2

Das beste Enzym der Welt: PET-abbauendes Enzym

Die Gesamtmenge an PET, die weltweit jährlich produziert und verbraucht wird, macht ein Sechstel des weltweiten Kunststoffverbrauchs aus, also etwa 100 Millionen Tonnen, und die meisten transparenten Getränkeflaschen bestehen aus PET.

Obwohl PET zu den am häufigsten recycelten Kunststoffen gehört, wird letztendlich weniger als die Hälfte aller PET-Produkte recycelt.

Da die chemischen Bindungen zwischen Monomeren in Polymeren wie PET mit herkömmlichen Mitteln nur schwer aufgebrochen werden können, können im herkömmlichen Kunststoffrecyclingprozess nur die Rohstoffe herabgestuft und wiederverwendet werden.

Beispielsweise werden lebensmittelechte PET-Plastikflaschen recycelt und durch Erhitzen in PET-Partikel aufgelöst, die dann erneut durch Hitze zu PET-Fasern verarbeitet werden, aus denen dann Plastikseile oder Plastiktüten hergestellt werden.

PET-abbauende Enzyme können jedoch die chemischen Bindungen in diesem Polymer direkt aufbrechen und es zu Terephthalsäure und Ethylenglykol reduzieren, die kaum Auswirkungen auf die Umwelt haben.

Der klassische Weg zum PET-Recycling: Klassifizierung – Zerkleinerung – Pulverherstellung – Chemiefaser – umweltfreundliche Gewebesäcke

Bildquelle: Referenz 3

Bei den neuesten im Magazin „Nature“ veröffentlichten Ergebnissen handelt es sich im Wesentlichen um die Verwendung von Deep Learning zur strukturellen Modifizierung des PET-abbauenden Enzyms, was den Prozess dieser Technologie hin zur praktischen Anwendung vorangetrieben hat. Lassen Sie uns zunächst diese Transformationsmethode verstehen und dann die Prinzipien des Deep Learning vorstellen.

Ein einzelnes Enzymmolekül ist wie eine sorgfältig zusammengesetzte Maschine. Die Sequenz und räumliche Struktur der Aminosäuren bestimmen ihre Zusammensetzung. Bei einer falschen Montagemethode funktioniert die Maschine nicht ordnungsgemäß, auch wenn alle Teile intakt sind.

Unter normalen Umständen weisen Enzyme einen Aktivitätszustand auf. Die meisten Enzyme wirken in lebenden Organismen, daher liegt ihr Aktivitätstemperaturbereich im Allgemeinen in der Nähe der Lebenstemperatur der Organismen und es gelten bestimmte Anforderungen an den pH-Wert.

Wenn wir Enzyme zur Regulierung von Reaktionen in einer Umgebung außerhalb des menschlichen Körpers verwenden möchten, werden die verschiedenen veränderten Bedingungen, mit denen wir konfrontiert sind, viel komplizierter.

Insbesondere in Anwendungsszenarien wie dem Kunststoffabbau sind die Reaktionsbedingungen nahezu unkontrollierbar. Es ist möglich, dass ein Enzym, das Plastik in einem Laborbecher normal abbauen kann, seine Wirkung im natürlichen Meeresbodenschlamm oder auf einer Mülldeponie nicht entfalten kann. Wie also sollten wir dieses Problem lösen?

Links: PET-Folienoberfläche mit anhaftenden PET-abbauenden Bakterien, rechts: (partiell) lochfraßige Oberfläche nach Zersetzung, oben rechts kleines Bild: Folienoberfläche vor Zersetzung

Bildquelle: Referenz 4

Aus dem im Magazin Nature veröffentlichten Artikel geht hervor, dass die Forscher eine mutierte PET-Hydrolase FAST-PETase erhielten, indem sie die Aminosäuren an fünf Stellen der natürlichen PET-Hydrolase ersetzten. Im Vergleich zu natürlichen PET-Hydrolasen und anderen industriellen Enzymen verfügt dieses Enzym über eine extrem starke PET-Abbaufähigkeit und Stabilität und kann in einem bestimmten pH-Bereich von 30 bis 50 °C arbeiten.

Diese Studie zeigt deutlich, dass die Methode, die Struktur biologischer Enzyme zu verändern, um ihre Aktivität zu steigern, auch auf PET-abbauende Enzyme angewendet werden kann.

Sie sollten wissen, dass die Aktivität der ölzersetzenden Enzyme in Waschmitteln und der katalytischen Enzyme im Herstellungsprozess von Biomassebrennstoffen in mehr als zehn Jahren fast tausendmal zugenommen hat.

PET-abbauender Enzym-Zersetzungsweg

Bildquelle: Referenz 4

Die Struktur eines Enzyms zu verändern, ist zwar leicht gesagt, aber wo sollen wir bei einem so komplexen Makromolekül mit Tausenden von Aminosäuren mit unserer Veränderung anfangen?

Teil 3

Künstliche Intelligenz, die PET-abbauendes Enzym „erzeugt“

Vielleicht haben Sie als Kind schon einmal eine solche Metapher gehört: Der Computer ist dumm und kann nur Bohnen zählen, aber er zählt sehr schnell und kann im Handumdrehen Hunderte Millionen Bohnen zählen.

Dieses Beispiel veranschaulicht anschaulich die beiden Haupteigenschaften von Computern bei der Ausführung bestimmter Arbeiten. Das erste ist eine starke Rechenleistung (schnelles Zählen), und das zweite ist, dass es spezielle Algorithmen für die Handhabung spezieller Aufgaben gibt (zum Beispiel ist das Zählen von Bohnen die Aufzählungsmethode).

Die Rechenleistung aktueller Heimcomputer ist erstaunlich. Wenn Sie wirklich große Datenmengen und komplexe Systeme verarbeiten müssen, gibt es Optionen mit leistungsstärkerer Rechenleistung, beispielsweise Workstations oder Supercomputer. Daher stellt die Rechenleistung für den Menschen kein großes Hindernis dar.

Der Schlüssel, der uns beschäftigt, ist der Algorithmus, also die Frage, wie man komplexe Probleme auf die effizienteste Art und Weise löst.

Die sogenannte künstliche Intelligenz ist eine Sammlung solcher Algorithmen. Am Beispiel des beliebtesten maschinellen Lernens (das als Mittel zur Implementierung künstlicher Intelligenz betrachtet werden kann) besteht die allgemeine Idee und das Prinzip darin, zunächst eine Reihe vorhandener Daten (wie etwa Go-Schachrekorde) in den Computer einzugeben und diese Daten dann vom Computer mithilfe eines speziellen Algorithmusmodells (wie etwa einem neuronalen Netzwerk) analysieren und integrieren zu lassen.

Der Computer lernt dann wie der Mensch, indem er in den Daten nach Mustern sucht und seine Rechenleistung nutzt, um ein umfangreiches Trial-and-Error-Verfahren durchzuführen (wie etwa Go AI), um das beste Ergebnis auszuwählen. Wenn dieser Lern- und Trainingsprozess abgeschlossen ist, wird sich die gesamte KI weiterentwickeln und in der Lage sein, damit verbundene Probleme zu lösen.

Fortschrittliche Algorithmen der künstlichen Intelligenz ermöglichen es Computern sogar, relevante Fähigkeiten mit nur einer kleinen Anzahl von Lernproben zu erlernen.

Beispielsweise wird im Entwicklungsprozess der Go-KI der Schritt der Eingabe von Schachdaten ausgelassen und dem Computer werden nur die relevanten Go-Regeln mitgeteilt. Der Computer verwendet dann die entsprechenden Algorithmen, um diese Regeln zu erkunden und sich selbst darin zu trainieren. Wenn das Training abgeschlossen ist, wird es in der Lage sein, mit den besten menschlichen Spielern zu konkurrieren. Die für das Training erforderliche Zeit und der endgültige Lerneffekt werden durch die Konfiguration des Computers sowie die Rationalität und Effektivität des jeweiligen Algorithmus bestimmt.

Am Beispiel dieser Studie geben Wissenschaftler einige der im Experiment gewonnenen Daten in den Computer ein, und der Computer kann auf Grundlage dieser Daten die Struktur des Enzyms optimieren. Auf diese Weise können wir auf der Grundlage einer kleinen Datenmenge Screening-Ergebnisse erzielen, die nur durch Aufzählung auf herkömmliche Weise erreicht werden können, und die anschließende experimentelle Überprüfung wird viel einfacher.

Animation: Vergleich zwischen der von AlphaFold vorhergesagten Proteinstruktur (blau) und der tatsächlichen Struktur (grün).

Quelle: AlphaFold

Teil 4

PET-abbauende Enzyme müssen noch weiter evaluiert werden

Wie der Name schon sagt, wird das aktuell entwickelte PET-abbauende Enzym speziell zum Abbau von PET eingesetzt. PET ist jedoch nicht die einzige Kunststoffart.

Wir können leicht eine lange Liste nennen: PE (Polyethylen), PVC (Polyvinylchlorid), PI (Polyimid), PF (Phenolharz), Teflon (Polytetrafluorethylen), ABS-Harz (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer) …

Die Monomere, Polymerisationsmethoden, der Polymerisationsgrad und das Molekulargewicht dieser Polymermaterialien sind alle unterschiedlich. Das für PET geeignete Abbauenzym kann andere Kunststoffarten nicht zersetzen.

Darüber hinaus haben einige Wissenschaftler vorgeschlagen, den gesamten Lebenszyklus dieser neuen Behandlungsmethode systematisch zu bewerten, um festzustellen, ob die Treibhausgasemissionen während des Prozesses der Bakterienkultivierung und des bakteriellen Abbaus von Kunststoffen in einem akzeptablen Rahmen liegen.

Wenn sich die Treibhausgasemissionen während dieses Zyklus denen aus dem Kunststoffherstellungsprozess der Ölindustrie annähern, wird die Attraktivität von Kunststoff abbauenden Enzymen zweifellos stark abnehmen.

Daher ist zum jetzigen Zeitpunkt eine strenge Kontrolle der Verwendung von Kunststoffprodukten und eine Standardisierung ihrer Entsorgung die realistische Option, um die Nutzungseffizienz der entsprechenden Materialien zu verbessern und die Umweltbelastung zu verringern.

Quellen:

1.Maschinelles Lernen-gestützte Entwicklung von Hydrolasen für die PET-Depolymerisation

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

2. Wissenschaftler erschaffen versehentlich ein mutiertes Enzym, das Plastikflaschen frisst

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

3. Ein Bakterium, das Polyethylenterephthalat abbaut und assimiliert.

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

4. Die Entdeckung eines Bakteriums, das Polyethylenterephthalat abbaut und assimiliert, könnte als Abbau- und/oder Fermentationsplattform für das biologische Recycling von PET-Abfällen dienen.

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

Produziert von: Science Popularization China

Autor: iFrec Lu Xiuyuan

Hersteller: China Science Expo

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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