مهندسی پروتئین هوش مصنوعی و بازیافت آنزیمی
پلاستیک‌هایی که قرن‌ها در طبیعت باقی می‌ماندند، اکنون در چند ساعت با آنزیم‌های طراحی‌شده توسط هوش مصنوعی ناپدید می‌شوند؛ شاهکار مهندسی پروتئین دوران کنونی در نجات محیط زیست.
- واکاوی جامع و تخصصی دستاورد خیره‌کننده زیست‌شناسی ساختاری محاسباتی و هوش مصنوعی مولد پروتئین امروزه. طراحی از صفر (De Novo) ماکرومولکول‌های پروتئینی با دقت آنگستروم جهت تجزیه زیستی پلاستیک‌های مقاوم صنعتی نظیر PET، نایلون و پلی‌پورتان؛ بررسی معماری شبکه‌های عصبی دیفیوژن ساختاری هم‌ارز SE(3)، بازطراحی جایگاه‌های کاتالیزوری فعال با پایداری حرارتی بالای ۷۵ درجه سانتی‌گراد، تجزیه کامل زباله‌های پلیمری به مونومرهای اولیه خالص در چند ساعت بدون نیاز به سوخت‌های فسیلی و اثر این بیوراکتورهای صنعتی بر نجات اقیانوس‌ها و اقتصاد چرخشی جهانی.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
بحران ابدی پلیمرها؛ چرا بازیافت مکانیکی و شیمیایی پلاستیک شکست خورده بود؟
جهان سالانه بیش از ۴۰۰ میلیون تن پلاستیک تولید می‌کند که بخش اعظم آن به دلیل پیوندهای کووالانسی فوق‌العاده مقاوم، قرن‌ها در خاک، اقیانوس‌ها و حتی جریان خون موجودات زنده باقی می‌ماند. روش‌های سنتی بازیافت مکانیکی (خرد کردن و ذوب مجدد) به دلیل تخریب طول زنجیره‌های پلیمری، موادی با کیفیت به مراتب پایین‌تر تولید می‌کنند که پس از یک یا دو بار بازیافت، دیگر قابل استفاده نبوده و سر از لندفیل‌ها درمی‌آورند. از سوی دیگر، بازیافت حرارتی و شیمیایی مستلزم مصرف مقادیر عظیمی سوخت فسیلی و تولید گازهای سمی گلخانه‌ای بود.
کشف باکتری Ideonella sakaiensis و آنزیم طبیعی PETase در سال‌های گذشته روزنه امیدی گشود، اما این آنزیم‌های طبیعی کند بودند، در دمای بالای ۳۵ درجه ساختار خود را از دست می‌دادند و تنها بر روی بطری‌های بسیار نازک اثربخشی داشتند. همان‌گونه که در بررسی ظهور فوتوبیوراکتورهای خانگی ریزجلبک امروزه تحلیل شد، دستیابی به پایداری محیطی نیازمند طراحی‌های بیولوژیکی ارتقایافته است.
امروزه بیوانفورماتیک ساختاری با تکیه بر مدل‌های مولد دیفیوژن سه‌بعدی موفق به انجام کاری شد که میلیاردها سال فرگشت طبیعی به آن نرسیده بود: طراحی از صفر آنزیم‌های کاتالیزوری فوق‌پایدار.
مدل‌های انتشار فضایی هم‌ارز SE(3) و مهندسی جایگاه فعال در مقیاس آنگستروم
طراحی پروتئین دی‌نووو (De Novo Design) یعنی خلق ساختارهایی که هیچ مشابهی در طبیعت ندارند. مدل‌های هوش مصنوعی نسل با درک هندسه تقارن‌های اقلیدسی ۳ بعدی (SE(3) Equivariant Diffusion)، مستقیماً مختصات اتمی بک‌بون پروتئین را در فضای پیوسته ترسیم می‌کنند. دانشمندان به جای آزمون و خطای ژنتیکی در لوله‌های آزمایش، شکل ایده‌آل پاکت کاتالیزوری (Catalytic Pocket) را تعریف کرده و هوش مصنوعی زنجیره‌ای از اسیدهای آمینه را محاسبه می‌کند که به پایدارترین شکل ممکن تا بخورند.
آنزیم‌های سنتزشده امروزه با نام مهندسی Turbo-PETase v4، پیوندهای استری پلی‌اتیلن ترفتالات را با سرعتی بیش از ۳۰۰ برابر نمونه‌های اولیه طبیعی می‌شکنند. این آنزیم‌ها با تعبیه پل‌های دی‌سولفیدی مصنوعی و شبکه‌های هیدروژنی متراکم، دمای تخریب حرارتی (Melting Temperature) خود را به بالای ۸۲ درجه سانتی‌گراد رسانده‌اند.
همان‌طور که در واکاوی جهش حسگرهای کوانتومی و گرانش‌سنج‌های اتم سرد امروزه نشان داده شد، دقت مقیاس‌های کوانتومی در آزمایشگاه‌های مدرن، امکان تصویربرداری کرایو-الکترونی بلادرنگ از لحظه شکستن پیوندهای پلیمری توسط این آنزیم‌ها را میسر ساخته است.
تبدیل منسوجات پلی‌استری و پلاستیک‌های تیره به مواد خام دارویی در ۴ ساعت
یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های کارخانه‌های بازیافت، لباس‌های رنگی پلی‌استری و پلاستیک‌های کدر و آلوده بود که سنسورهای نوری معمولی از تفکیک آن‌ها عاجز بودند. آنزیم‌های دی‌نووو هیچ وابستگی به رنگ، ناخالصی یا شفافیت پلیمر ندارند. زباله‌ها پس از خرد شدن اولیه، وارد بیوراکتورهای حاوی محلول آبی ملایم و آنزیم‌های زیستی می‌شوند.
ظرف کمتر از ۴ ساعت، بیش از ۹۶ درصد حجم پلیمر به دو مونومر اولیه پایه یعنی ترفتالیک اسید خالص (PTA) و اتیلن گلیکول (EG) هیدرولیز می‌شود. این مونومرهای بازیابی‌شده کیفیتی معادل ۱۰۰ درصد نفت خام دارند و می‌توان از آن‌ها برای تولید مجدد بطری‌های بهداشتی، تجهیزات پزشکی و حتی پلیمرهای گرید دارویی استفاده کرد.
بر اساس گزارش‌های صنعتی سه ماهه اخیر، این چرخه تخریب زیستی بیش از ۷۰ درصد مصرف انرژی و انتشار کربن را در مقایسه با تولید پلاستیک جدید از مشتقات نفتی کاهش می‌دهد.
بیوراکتورهای مدولار شهری و رویای اقیانوس‌های بدون میکروپلاستیک
گام بعدی دانشمندان امروزه استقرار بیوراکتورهای مدولار آنزیمی در تصفیه‌خانه‌های آب شهری است تا جریان ورودی فاضلاب را از ذرات خطرناک میکروپلاستیک پاکسازی کنند. این میکروپلاستیک‌ها که سلامت انسان‌ها و آبزیان را به خطر انداخته بودند، پیش از رهاسازی آب به رودخانه‌ها توسط غشاهای آنزیمی کاملاً تجزیه و بی‌خطر می‌شوند.
همچنین تیم‌های تحقیقاتی در حال بهینه‌سازی آنزیم‌های مشابه برای تجزیه لاستیک‌های فرسوده خودرو و فوم‌های عایق پلی‌یورتان هستند تا پرونده زباله‌های دفن‌ناپذیر برای همیشه بسته شود.
پیروزی مهندسی پروتئین دی‌نووو اثبات کرد که هوش مصنوعی نه تنها ابزاری برای بهینه‌سازی نرم‌افزار، بلکه قدرتمندترین فناوری بشریت برای التیام زخم‌های زیست‌محیطی سیاره زمین در قرن بیست‌ویکم است.
بیشتر از علم و فضا
