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Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization

解聚 聚酯纤维 瓶子 水解 材料科学 水解酶 计算机科学 塑料瓶 化学工程 化学 制浆造纸工业 生化工程 复合材料 有机化学 高分子化学 工程类
作者
Hong-Qian Lu,Daniel J. Diaz,Natalie J. Czarnecki,Congzhi Zhu,Wantae Kim,Raghav Shroff,Daniel J. Acosta,Bradley R. Alexander,Hannah Cole,Yan Jessie Zhang,Nathaniel A. Lynd,Andrew D. Ellington,Hal S. Alper
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:604 (7907): 662-667 被引量:436
标识
DOI:10.1038/s41586-022-04599-z
摘要

Plastic waste poses an ecological challenge1-3 and enzymatic degradation offers one, potentially green and scalable, route for polyesters waste recycling4. Poly(ethylene terephthalate) (PET) accounts for 12% of global solid waste5, and a circular carbon economy for PET is theoretically attainable through rapid enzymatic depolymerization followed by repolymerization or conversion/valorization into other products6-10. Application of PET hydrolases, however, has been hampered by their lack of robustness to pH and temperature ranges, slow reaction rates and inability to directly use untreated postconsumer plastics11. Here, we use a structure-based, machine learning algorithm to engineer a robust and active PET hydrolase. Our mutant and scaffold combination (FAST-PETase: functional, active, stable and tolerant PETase) contains five mutations compared to wild-type PETase (N233K/R224Q/S121E from prediction and D186H/R280A from scaffold) and shows superior PET-hydrolytic activity relative to both wild-type and engineered alternatives12 between 30 and 50 °C and a range of pH levels. We demonstrate that untreated, postconsumer-PET from 51 different thermoformed products can all be almost completely degraded by FAST-PETase in 1 week. FAST-PETase can also depolymerize untreated, amorphous portions of a commercial water bottle and an entire thermally pretreated water bottle at 50 ºC. Finally, we demonstrate a closed-loop PET recycling process by using FAST-PETase and resynthesizing PET from the recovered monomers. Collectively, our results demonstrate a viable route for enzymatic plastic recycling at the industrial scale.
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