プラスチックを数百年ではなく数日で分解する方法を発見
テキサス大学オースティン校の科学者グループが、通常なら何世紀もかかるプラスチックを数日で分解できる改良型酵素を作り出しました。
研究者らは先週、専門誌『Nature』にこの研究成果を発表しました。この研究では、機械学習を用いて突然変異を導入し、衣料用繊維やプラスチックに使用されている合成樹脂で、世界の廃棄物の12％を占めるポリエチレンテレフタレート（PET）の構成要素を分解できる即効性のあるタンパク質を作り出しました。
触媒を使ってPETを構成するブロックを元のモノマーに分離し、再び重合してバージンプラスチックに戻し、他の製品に変換することができるのです。最も驚くべきは、酵素が1週間でプラスチックを分解したことです。
「我々ができることの一つは、これを最初のモノマーに分解することです。」と、化学工学の教授で論文の著者であるハル・アルパーは、Motherboardの電話インタビューに答えています。「そして、それが、酵素の仕事です。そして、元のモノマーを手に入れたら、まるでゼロから新鮮なプラスチックを作っているようなもので、追加の石油資源を使う必要がないという利点があります。」
「これは、従来のベルトリサイクルよりも利点があります。」とアルパーは付け加えます。「プラスチックを溶かして成形し直すと、リサイクルを繰り返すたびにプラスチックの品質が損なわれていきます。しかし、ここでは、解重合してから化学的に再重合することができれば、毎回、新しいPETプラスチックを作ることができるのです。」
この研究は、2005年に初めて記録され、その後19種類の異なる酵素が発見された、プラスチック食用酵素に関する既存の研究成果である、と論文に記されています。これらは、環境中のプラスチックに生息する自然界に存在するバクテリアに由来するものです。
しかし、こうした自然界に存在する酵素の多くは、タンパク質の順列で構成されており、特定の環境ではよく機能するが、温度やpHの条件によって制限されるため、リサイクルセンター全体のような幅広い環境では使用できないと、著者らは主張しています。これに対し、アルパーらのチームが発見した酵素は、温度やpH条件の範囲内で、51種類のPETを分解することができます。
研究チームは、この酵素を「Functional, Active, Stable, and tolerant PETase」の頭文字をとってFAST-PETaseと命名し、機械学習を用いてその正確な構造を突き止めました。19,000個のタンパク質構造をアルゴリズムに与え、局所的な環境に最適化されていない構造中のアミノ酸の位置を予測するよう学習させました。さらに、この数式を使って既存のタイプのPETaseのアミノ酸を新しい位置に並べ替え、改良された組み合わせを特定し、40℃で既存のPETase酵素の2.4倍、50℃で38倍の活性が見られるある構造に着地させました。
そして、さまざまな温度やpH条件下でテストしたところ、既存の変異体を上回る性能を発揮し続けました。
「自然界に存在するものは、少なくともアミノ酸のひとつひとつを取り巻く局所的な環境においては、おそらくある程度最適なのです」とアルパーは言います。「我々は、目的のタンパク質を見て、そこにあるアミノ酸の一つ一つを調べ始め、それ自身の微小環境を見て、何が適合し、何が適合しないかを確認することができます。」
アルパーと彼のチームの望みは、この酵素が他のものより拡張性があり、世界的なプラスチック危機に取り組むために、PET-aseを本当に試練にかけることです。FAST-PETaseは、すでにさまざまな条件に耐えることができるようになっていますが、今後は、「持ち運びができ、大規模な工業規模で購入できる」ことを証明する必要があります。
アルパーによれば、研究チームはまず、廃棄物に含まれるさまざまな種類のPETや、ペットボトルやリサイクルされたプラスチック容器の上にあるゴミを対象にFAST-PETaseをテストしなければならないといいます。研究者たちは、実用に耐える堅牢な酵素が見つかれば、環境中の「何十億トンもの」廃棄物を処理するのに役立つと考えています。