【智利】借助人工智能，科学家设计出能更高效降解塑料的蛋白质

依托智利天主教大学（UC）的“Avanza UC”项目，研究人员塞萨尔·拉米雷斯（César Ramírez）正主导一项跨学科研究，该研究融合人工智能、生物学与生物化学技术，旨在构建能够降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）及尼龙等塑料的酶。通过与该领域的国际权威专家合作，其团队成功研发出一种新型蛋白质，该蛋白质可在较低温度下实现PET降解，为提升回收效率及推动循环经济进程开辟了新的技术路径。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是全球应用最广泛的塑料材料之一。2024年，其全球产量约为2,670万吨。PET广泛存在于日常消费品中，包括饮料瓶、食品包装、纺织品及纤维制品，因此构成了年度塑料废弃物的重要组成部分。鉴于其在一次性产品中的大规模应用，PET已成为环境保护及高效回收体系构建中亟待解决的关键挑战。

自1960年塑料进入大规模生产阶段以来，全球累计消耗的塑料中仅有9%实现了回收。在智利，尽管政府已出台多项法律，旨在推动塑料回收并鼓励以可堆肥生物塑料替代传统塑料，但该国塑料回收产业仍处起步阶段。现有瓶类回收体系无法处理全部收集到的物料，覆盖范围未及所有塑料品类，且缺乏对新兴生物塑料进行工业堆肥的能力。

针对这一困境，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的酶解技术正成为一项颇具前景的替代方案，并与传统回收工艺形成互补。该技术利用酶——一类能够加速化学反应的蛋白质——将塑料分解为其化学组分，这些组分随后可被回收并用于制造新材料，例如原生PET及其他高商业价值衍生物。对于机械回收难以处理的废弃物，如纺织品、纤维及多层包装，该技术的潜在应用价值尤为突出。

自然界中已发现的酶并不一定具备在工业规模下高效运作所需的特性。提升这类酶的活性、稳定性及产量，同时降低其工作温度以削减生物回收过程中的能耗，是该领域面临的核心科学与技术难题之一。

智利天主教大学生物医学工程研究所副教授塞萨尔·拉米雷斯（César Ramírez）近期主导的一项研究，利用人工智能技术对一种可降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的天然酶进行了重新设计。研究团队成功开发出若干新型变体，这些变体在保持与原始酶相当降解效率的同时，将工作温度从70摄氏度大幅降至50摄氏度。

《ACS可持续化学与工程》期刊近日刊发的一项研究，为突破该领域的关键瓶颈提供了新路径。该技术的核心挑战在于，不仅要研发出能够降解塑料的酶，更要确保其在更适宜工业应用的环境条件下高效运作。拉米雷斯指出：“我们首次在计算机上设计出一种蛋白质，它能在更低的温度下，更高效地降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料。”

这一成果隶属于“Avanza UC”项目，该项目旨在探索利用人工智能设计具备特定功能蛋白质的可行性。相关研究并未局限于对自然界中已存在酶类的改造，其目标还包括从头创建全新的蛋白质，使其能够执行特定任务，例如降解那些目前难以通过生物手段处理的材料。

人工智能的应用范围正从改造天然蛋白质，拓展至从零开始设计全新酶类。

智利天主教大学（UC）研究团队的一项核心突破，在于借助人工智能技术对天然酶的氨基酸序列进行重构。这一过程严格保留了蛋白质的三维空间结构，从而确保其特定功能不受影响。该策略为探索性能优化路径提供了可能，有助于开发更适用于生物技术领域的新型蛋白质。

相关成果发表于题为《MPNN-Guided Redesign of PET Hydrolases with Enhanced Catalytic Activity below the PET Glass Transition Temperature》（2026）的论文中。研究团队利用人工智能工具，对一种名为PHL7的天然酶进行了重新设计，该酶以降解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的能力著称。在36种通过计算设计并经实验验证的变体中，研究人员筛选出两种特定变体。实验数据显示，这两种变体在50°C条件下对PET的降解效率，与原始酶在70°C条件下的表现相当。

这一成果具有特殊意义，因为它降低了工艺所需温度，为降低酶解过程的能耗提供了可能。此外，新变体促进了MHET（一种可作为原料重新合成原生PET的中间体）的生成。

塞萨尔·拉米雷斯指出，这一进展攻克了蛋白质研究中最具挑战性的领域之一：确保通过计算设计的酶不仅保持结构稳定，还能高效执行其设计功能。

“我们的目标是创造一种自然界中从未存在过的蛋白质，使其能够执行我们设定的特定功能。”智利天主教大学（UC）学者塞萨尔·拉米雷斯（César Ramírez）表示。

研究团队的工作并不局限于对自然界中已有的蛋白质进行改造。其另一条研究路径聚焦于从头设计（de novo design），该策略借助生成式人工智能，依据化学反应发生位点——即活性位点——的结构特征，构建全新的酶。正如研究者所言：“我们的目标是创造出一种自然界中从未存在过的蛋白质，使其能够执行我们预设的功能。”

为在这一方向上取得进展，该实验室与华盛顿大学大卫·贝克（David Baker）团队保持着科学合作。贝克是2024年诺贝尔化学奖得主之一，其研究成果为蛋白质的计算设计奠定了关键基础。

这一合作关系在拉米雷斯（Ramírez）于2025年至2026年间在西雅图进行的学术休假期间得到进一步强化。在此期间，他深入研究了用于评估人工智能设计蛋白质的计算工具及新型实验方法。

从聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）到尼龙：生物回收面临的新挑战

Avanza UC项目还致力于拓展酶法降解塑料的适用范围。目前，研究团队正聚焦于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和尼龙这两类化学特性迥异的塑料。PET分子中的碳-氧键可被已知的天然酶识别并降解，而尼龙中的碳-氮键断裂难度则大得多。研究人员指出：“降解PET的酶无法作用于尼龙。由于两者属于不同材料，必须分别为其开发专用酶。”

降解效率的差异直观体现在时间尺度上：在工业条件下，部分经过优化的酶可在约16至24小时内完全降解PET；而目前已知用于降解尼龙的天然酶，处理1%的材料便需耗时约十天。

面对这一现状，该实验室正借助生成式人工智能探索新型酶的设计，以期提升塑料降解效率。研究团队在美国期间已取得初步成果，数据显示相关酶对尼龙衍生物表现出催化活性，为后续研究提供了积极信号。

选择该材料同样基于其环境足迹的考量。其生产过程能耗巨大，并伴随显著的温室气体排放。此外，鉴于该材料在纺织及运动服饰领域的应用，市场需求预计将持续攀升。

拉米雷斯指出，针对此类材料的研发旨在探索能够应对多种塑料废弃物的解决方案，因为不同塑料需要差异化的降解策略。在技术难度最高的层级，聚乙烯与聚丙烯的碳-碳键对酶促降解表现出极强的抗性。目前，如何有效处理这两类材料仍是科研领域面临的长期挑战。

迈向循环经济

实验室成果之外，降解塑料的酶在回收产业中展现出广阔的应用前景。与传统机械回收不同，后者仅对材料进行破碎和再加工，酶回收技术能够将聚合物分解为原始化学成分，这些成分随后可用于重新制造塑料。

“酶法回收的核心价值在于，它能够通过生物手段将塑料转化为制造全新塑料所需的化合物，并实现该过程的循环往复。”智利天主教大学（UC）学者塞萨尔·拉米雷斯（César Ramírez）表示。

酶法回收的核心优势在于能够产出性能与原生塑料相当的材料，从而规避机械回收过程中因反复加工导致的性能衰减。拉米雷斯指出，酶法回收的关键价值在于通过生物手段将塑料转化为制造全新塑料所需的化合物，实现循环再生。

酶的另一项优势在于其高度特异性。由于每种酶仅识别特定材料，未来有望开发出多种酶的组合方案，使其能同时处理混合废料中的不同塑料类型，从而降低按成分预先分拣废物的需求。

目前，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的酶法降解技术正加速向工业应用转化，澳大利亚、中国及法国等国已启动相关项目。

研究与国际合作

拉米雷斯在西雅图进行的学术休假期间，收获颇丰，其中一项关键成果是引入了新的实验方法，这将显著提升实验室对蛋白质进行评估的能力。

该实验室目前的蛋白质分析速度为每周五至十种，而新目标是在相同周期内将这一数字提升至约一百种。这种评估能力的提升对于研究人工智能生成的众多蛋白质变体至关重要，有助于筛选出真正具备酶活性的候选分子。拉米雷斯指出，此次学术休假的重点不仅在于学习人工智能与计算设计，更在于引入能够快速、高效分析数百种蛋白质的实验方法。

该研究方向与多项国际项目形成互补，其中包括由意大利国际遗传工程与生物技术中心（ICGEB）主导的一项计划，旨在发现并表征能够降解塑料的酶。此外，此前通过ANID-FAPESP计划与巴西开展的合作，也成功从极地及南极环境中的微生物中筛选出相关酶。

近期，一项关于在极地海洋环境中识别能够降解并代谢聚酯类物质作为碳源的酶的研究成果，已被国际权威期刊《微生物组》（Microbiome）正式接收。该研究题为《极地海洋微生物群落作为聚酯降解酶的基因库》，标志着相关项目取得了阶段性进展。

与此同时，该科研团队正参与一项“千年核心”（Núcleo Milenio）计划，聚焦于智利科金博大区塑料废弃物及生物质废弃物的可持续资源化利用。该计划旨在将针对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和尼龙的处理酶研发，与利用智利北部渔业产业废弃物的生物技术解决方案相结合。其核心目标在于，以酶促技术替代当前用于处理此类废弃物的高污染化学工艺，从而探索更为环保的降解路径。