DigitalArtSpace

Разработан искусственный фермент, способный расщеплять полиуретан – пластик, который сложно поддается переработке. В ходе лабораторных тестов фермент разрушил до 98% материала всего за 12 часов при температуре 50 °C, при этом он сохранил свою эффективность при повторном использовании еще дважды. Авторы научной работы полагают, что данное достижение может приблизить нас к созданию замкнутой системы промышленной переработки.

Полиуретан – один из наиболее востребованных видов пластика: в 2024 году его мировая выработка составила приблизительно 22 миллиона тонн. В его основе лежит уретановая связь, характеризующаяся соединением атома азота с углеродом, который, в свою очередь, связан с двумя атомами кислорода. Благодаря прочности и часто переплетённой структуре этих связей, большинство ферментов не способны их разрушить. В промышленных процессах отходы, содержащие полиуретан, частично растворяют с использованием диэтиленгликоля, однако это происходит только при повышенных температурах и приводит к образованию сложной смеси соединений, не пригодной для повторного применения.

Для изменения сложившейся обстановки, специалисты приняли решение разработать фермент, способный интегрироваться непосредственно в данный процесс. На начальном этапе исследователи провели испытания 15 известных природных ферментов, обладающих способностью расщеплять полиуретаны, однако только 3 из них продемонстрировали хоть какую-то активность, и ни один не смог полностью разрушить полимер до составляющих его молекул.

Затем в работу включился искусственный интеллект. Ученые отобрали наиболее эффективный из этих ферментов и, используя ИИ, приступили к поиску белков, схожих по структуре — посредством AlphaFold, базы данных, которая прогнозирует трёхмерную конфигурацию белков на основе последовательности аминокислот. Полученные данные послужили обучающим набором для нейронной сети, предназначенной для предсказания, какие аминокислоты формируют «карман» связывания — участок фермента, в котором протекает реакция.

Ключевым элементом является новая модель GRASE (GRASE — графовая нейросеть для подбора активных и стабильных ферментов). Данная модель сочетает в себе графовую нейросеть и алгоритм определения оптимальных аминокислотных позиций, обеспечивая баланс между стабильностью фермента и его необходимой гибкостью для работы с различными видами полиуретанов.

Полученные данные оказались весьма многообещающими: из 24 предложенных ИИ вариантов 21 продемонстрировал каталитическую активность, а 8 продемонстрировали результаты, превосходящие показатели лучшего природного фермента. Наиболее эффективный образец оказался в 30 раз активнее, а в сочетании с диэтиленгликолем и нагревом до 50 °C – уже в 450 раз. За 12 часов он практически полностью разложил полиуретан, и этот процесс удалось повторить трижды, не наблюдая значительного снижения активности. В условиях килограммового масштаба результаты также были сохранены: степень разложения достигла 95%, что позволило выделить исходные компоненты, из которых возможно получение чистого полиуретана.

В своих работах авторы акцентируют внимание на том, что их методика разработки белков учитывает не только структуру фермента, но и его функциональные характеристики, такие как стабильность и возможность взаимодействия с определенными молекулами. Подобные стратегии способны ускорить поиск ферментов, необходимых для расщепления других видов пластика, в тех случаях, когда традиционные методы молекулярного моделирования оказываются неэффективными.

Похожие статьи

Новый алгоритм Дарвина-Гёделя учит искусственный интеллект самостоятельно программировать.

В США производят эффективные процессоры: тайванские чипы TSMC возвращаются на родину для завершения производства.

В продаже — новая Lada Granta с увеличенным дорожным просветом

Новые модели Kia могут появиться на российском рынке.

Недорогой аналог Toyota Camry с пробегом более 2000 км завоевал популярность

Рамный внедорожник BAW 212 T01 с мощным двигателем: «Китайский УАЗ» с комфортом.