A poliuretán és a kihívás
A poliuretánhabok jól ismertek a cipők talpából vagy ülőpárnákból, mégis nehezen újrahasznosíthatók. Ennek oka, hogy kémiai szerkezetük bonyolult, a hosszú polimerláncokat sokszor keresztkötések merevítik, ami szinte hozzáférhetetlenné teszi azokat az enzimek számára. Az iparban jelenleg dietilénglikollal próbálják felbontani a poliuretánt, de ehhez magas hőmérsékletre van szükség, és csak egy szennyezett, használhatatlan végtermék keletkezik, amelyet aztán általában egyszerűen el kell égetni.
MI segíti a kutatókat
A megoldás érdekében a kutatók olyan enzimet akartak találni, amely beilleszthető a dietilénglikolos folyamatba. Már publikált 15 polimerbontó enzimet teszteltek, ám ezek közül csupán három mutatott bármilyen aktivitást, miközben egyik sem bontotta le igazán a poliuretánt kiinduló anyagaira. Ezután a legerősebb enzimet vették alapul, hasonló fehérjeszerkezeteket kerestek nyilvános adatbázisokban, és az AlphaFold nevű MI segítségével még távolabbi, de szerkezetileg hasonló fehérjéket válogattak össze. Ezek önmagukban nem voltak elég hatékonyak, de kiválóan alkalmasak lettek egy tanulóalgoritmus betanítására.
Az MI meghozza az áttörést
A GRASE nevű grafikus neurális hálózat segítségével a kutatók olyan aminosavsorrendeket kerestek, amelyekből az MI szerint megfelelő, stabil és funkcionális enzimek jöhetnek létre. Különösen fontos kiemelni, hogy a GRASE egyszerre értékelte a fehérje lehetséges szerkezeti stabilitását és aktivitását, illetve azt, hogy aktív helyei mennyire képesek kapcsolatba lépni a lebontandó anyaggal.
Az eredmények lenyűgözőek lettek: a 24 legígéretesebb MI-javaslatból 21 valóban működő katalitikus aktivitást mutatott, közülük pedig nyolc még az eddigi legismertebb természetes enzimet is felülmúlta. A legjobb enzim harmincszor hatékonyabb volt az elődnél.
Laborból ipari méretre
Az igazi áttörés akkor történt, amikor a dietilénglikolt is hozzáadták a reakcióhoz, és 50 °C-ra melegítették a keveréket: a legjobb MI-tervezte enzim ekkor 450-szer aktívabb lett a legjobb ismert természetes enzimenél. Tizenkét óra alatt a poliuretán 98 százalékát képes volt lebontani az alapkiinduló vegyületekre, ráadásul három alkalommal is újra fel lehetett használni, mielőtt elhasználódott volna. Kilogrammos mennyiségekben, tehát laboron kívül is, 95 százalékos hatékonyságot értek el.
Mindezt figyelembe véve az MI által tervezett enzimek új korszakot nyithatnak a műanyagok újrahasznosításában, és a molekuláris tervezés olyan dimenzióit hozzák el, ahol nemcsak szerkezeti, hanem funkcionális jellemzők alapján emelhetjük ki a legígéretesebb katalizátorokat.
