AI和機器學習加快篩選酵素的過程，促成以酵素分解聚酯及尼龍纖維織物的發展

「吃塑膠」的酵素

酵素、微生物等可以發展出分解在它們周圍環境中所發現的任何物質（包括塑膠）的能力。目前人們正在對它們進行篩選和客製化，用以分解聚 PET 塑膠、聚酯紡織品和聚酰胺織物。

這就是所謂的破壞性新陳代謝（destructive metabolism）。新陳代謝源自希臘語，意思是變化，是一種產生能量和廢料的新陳代謝形式。簡要地說，就是酵素將合成物代謝或分解成原始構件的生物過程。

代表性案例：法國企業 Carbios

這項技術仍處於起步階段，但已經邁出了第一步。自 2021 年以來，法國企業 Carbios 一直在 Clermont Ferrand 營運一家生物回收試驗工廠，目前正在 Longlaville 與 Indorama Ventures 合作建造一家工業化規模的工廠。預計建成後每年可處理 50,000 噸 PET 廢料。

公司在 2011 年首次開始酵素回收研究時，公司創辦人 Philippe Pouletty 設定的任務是為十種不同的聚合物開發技術，目前十種聚合物中的兩種已經實現。除 PET 外，該公司還開發出一種基於酵素的添加劑，可使聚乳酸（PLA）成為可堆肥材料，雖然無法完全回收利用，但仍不失為一種報廢解決方案。

Carbios 的首席科學家 Alain Marty 博士表示，聚酯的酯鍵相對容易裂解，聚醯胺的醯胺鍵也是如此，但聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）的碳對碳鍵卻很難分離。

AI和機器學習加快了篩選酵素的過程

在開發酵素回收製程的過程中，最初始也最關鍵的一步是確定與聚合物具有親和力的生物。要做到這一點，可以將各種塑膠或合成材料置於各種自然環境中，包括土壤、淡水或鹽水，讓大自然自由發揮。當材料上形成生物膜時，就可以將造成這種生物降解跡象的生物作為可能的候選對象。雖然AI和機器學習加快了篩選酵素的過程，但這並不是探索過程的終點。酵素需要經得起各種條件的考驗，保持高效且最好十分快速。這一研究階段可能是一個漫長的調整和客製化過程，以實現所需的功能。酵素的穩定性、分解塑膠的速度以及在大桶中分解塑膠的溫度，都是需要解決的眾多參數中的一部分。Carbios 花了數年時間才設計出一個能夠在 100°C 左右的溫度下操作的特定 「PET 酵素」菌株。

酵素可能是強大的生物催化劑，但熱塑性塑膠是一種結構堅固的材料，無法輕易地分解。因此，研究這些新型生物技術回收方法的第二階段是使塑膠聚合物更容易消化。這可能涉及各種化學和機械準備階段，以改變聚合物的結構，使其成為更無定形的形式，並增加其表面積，使其更易於酵素的作用。一旦這兩方面的問題得到解決，比其他回收方法更具優勢。

Carbios 團隊在2024年的《化學評論（Chemical Reviews）》發表科學文章上，標題為「酵素在塑膠降解中的作用（Enzymes power for plastics degradation）」，對迄今為止發表的有關酵素降解各類塑膠的所有研究進行了概述。文章概述了酵素作為「高效生物催化劑」的前景，因為酵素能夠在較溫和的反應條件（溫度、pH 值和壓力）下操作，具有高選擇性，對環境影響小（能源消耗和廢物產生較少）等優勢。

其他案例：美國Protein Evolution及澳洲Samsara Eco公司

Carbios 並不是唯一一家將賭注押在生物循環上的公司。位於康乃狄克州 New Haven的 Protein Evolution 正在開發聚酯纖維的生物回收製程，而位於坎培拉的新創公司 Samsara Eco 已成功鑑定出聚醯胺代謝酵素。

Protein Evolution在杜拜舉行的 COP28 氣候大會上展示了由英國設計師 Stella McCartney 設計、以回收聚酯製成的連帽大衣，而 Stella McCartney 也是他們的早期投資者和合作夥伴。Samsara Eco於2024年宣布，其合作品牌Lululemon已用生物回收尼龍製作了首批服裝樣品。

（1）Protein Evolution

Protein Evolution 由 Connor Lynn 和 Jonathan Rothberg 博士於 2021 年創立，該公司開發了一種生物回收製程，可將聚酯紡織品分解成對苯二甲酸（PTA） 和單乙二醇（MEG），就像 Carbios 的製程一樣。業務總監 Connor Lynn 表示：「這些物質隨後可轉化為 100% 再生聚酯，與石油提煉的聚酯無異，但碳足跡要低得多。」Protein Evolution的 Biopure 製程可以處理各種傳統上難以回收的材料，包括染料、混合材料等。這項專有技術已在最初的原型系統中得到驗證，目前正過渡到工業示範設施。

這家新創公司利用人工智慧，在龐大的生物技術資料庫中識別出具有理想塑膠降解特性的酵素。這加快了發現過程，縮短了從最初概念到潛在酵素的時間，並透過機器學習模型，預測酵素在不同條件或修飾下的活性。這種預測能力對於了解酵素結構的變化如何影響功能至關重要，使工程師能夠設計出具有特定特性的酶，而無需大量的試驗和錯誤。。AI有助於預測哪些突變可能帶來有益的特性（簡化酵素的演化過程），以及創造自然界尚不存在的全新「酵素」。

該公司並沒有止步於聚酯，還在研究能夠分解聚醯胺和聚氨酯的酵素。為此，他們最近與英國專門為人工智慧生物設計繪製生物多樣性數據的公司 Basecamp Research 合作，預計在2024年下半年就會有候選的酵素，可望被用於新應用上。

（2）Samsara Eco

2024 年 2 月，加拿大運動休閒品牌 Lululemon 推出了首批由酵素法回收的尼龍 6.6 製成的服裝樣品，這是其 Swiftly Tech 系列的長袖上衣。該產品的商業版本由 50% 尼龍、44% 回收聚酯、3% 彈性纖維和 3% X 靜電尼龍混合製成。根據新聞稿，90% 的尼龍成分是利用 Samsara Eco 正在申請的專利技術來進行生物回收。

Samsara Eco 成立於 2021 年，並獲得了澳洲國立大學（Australian National University, ANU）、零售集團 Woolworths 和國家研究中心 CSIRO 的深度科技創投機構 Main Sequence 的支持。該公司表示，他們的技術來自於一個龐大的塑膠吞噬酵素庫。

結語

如前所述，Carbios 已將注意力轉向尋找能夠分解聚醯胺和聚烯烴的酵素，其中包含聚乙烯（世界上產量最大的塑膠）和聚丙烯。 該公司在其策略更新中註記，這三種熱塑性塑膠目前的回收途徑很少。這家法國公司表示，透過使用微流控技術（microfluidics,），它已大大加快了酵素優化技術的發展速度，每天可篩選數百萬個酵素，相較之下使用傳統技術每週只能篩選數千個。因此可以預見，酵素篩選和優化技術的進步將在某個時刻使生物能夠分解所有類型的合成物和塑膠。與任何新技術一樣，這並非一蹴可幾。「改變」就像新陳代謝一樣，需要時間。

資料來源：WSA（2024/04）