광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
로고

[인공지능] 인공지능이 만든 효소에 의해 수백 년이 아니라, 며칠 만에 폐 플라스틱을 분해한다. 텍사스 대학 연구팀은 FAST-PETase라는 효소를 개발했다고 보고했다. 인공지능의 도움으로 설계된 이 제품은 처리되지 않은 PET를 수세기가 아니라 수일 내에 분해한다. 그리고 이것은 다양한 유형의 박테리아가 번성할 수 있는 50°C 이하의 온도에서 수행할 수 있다.

https://www.dailykos.com/stories/2022/5/1/2094913/-Waste-plastic-broken-down-not-in-centuries-but-in-days-by-an-AI-engineered-enzyme

JM Kim | 기사입력 2022/05/04 [00:00]

[인공지능] 인공지능이 만든 효소에 의해 수백 년이 아니라, 며칠 만에 폐 플라스틱을 분해한다. 텍사스 대학 연구팀은 FAST-PETase라는 효소를 개발했다고 보고했다. 인공지능의 도움으로 설계된 이 제품은 처리되지 않은 PET를 수세기가 아니라 수일 내에 분해한다. 그리고 이것은 다양한 유형의 박테리아가 번성할 수 있는 50°C 이하의 온도에서 수행할 수 있다.

https://www.dailykos.com/stories/2022/5/1/2094913/-Waste-plastic-broken-down-not-in-centuries-but-in-days-by-an-AI-engineered-enzyme

JM Kim | 입력 : 2022/05/04 [00:00]

분해는 힘든 일이다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 일반적인 플라스틱의 경우에도 마찬가지이다. PET 박막(두께 0.5밀리미터)으로 만든 물병이 분해되는 데는 약 450년이 걸린다. 그 과정에서 미세 플라스틱으로 존재하게 될 것이며, 우리가 한 달 전에 처음 보았듯이 살아있는 사람의 폐 조직에서도 발견될 정도로 만연해 있다. 그리고 많은 연구가 PET의 눈에 띄는 열화를 전혀 볼 수 있을 만큼 오래 지속되지 않기 때문에 이러한 종류의 수치조차도 추측에 불과하다.

 

생분해성 및 생체흡수성 플라스틱을 생산하기 위한 많은 노력이 좋은 진전을 보이고 있으며 이는 미래에 좋은 일이지만 이미 존재하고 우리가 계속 생성하는 플라스틱 산은 어떨까? 미국에서 버려진 플라스틱의 매립율은 여전히 약 75%이다! 할 일이 많다.

 

텍사스 대학에 있는 Hal Alper의 화학 공학 연구실이 작업 중이라는 것은 좋은 일이다. 네이처(Nature) 4 27일자에서 그들은 FAST-PETase라는 효소를 개발했다고 보고했다. 인공지능의 도움으로 설계된 이 제품은 처리되지 않은 PET를 수세기가 아니라 수일 내에 분해한다. 그리고 이것은 다양한 유형의 박테리아가 번성할 수 있는 50°C 이하의 온도에서 수행할 수 있다. 이게 어디로 가는지 보이는가?

 

이 작업이 어떻게 수행되었는지 알아보기 전에 몇 가지 결과를 확인하겠다. 다음은 표시된 시간 동안 FAST-PETase로 처리된 분해되는 데 일반적으로 수 세기가 걸리는 플라스틱 제품이다.

 

 

플라스틱 정어리 캔? 핸드폰 케이스? 48시간만에 완전분해

 

레이블을 확인할 수 없으면 0, 6, 12, 18, 24, 30, 48시간이다. 그것은 수백 년이 아니라 48시간 만에 사라졌다.

 

이 특정 플라스틱 제품이 어떤 면에서 특별하다고 생각하지 않도록 연구원들은 처리되지 않은 다양한 플라스틱 소비자 제품에서 디스크를 잘라내어 FAST-PETase 효소가 작동하도록 설정했다. 상단 막대 그래프는 각 디스크가 완전히 저하되는 데 걸린 일 수를 보여준다세로 축의 맨 위 숫자는 8일이며, 이는 모든 디스크가 일주일 이내에 사라졌음을 의미한다.

 

 

51개의 처리되지 않은 소비 후 제품의 PET 디스크는 모두 50°C에서 일주일 이내에 완전히 분해된다. 결정성(폴리머 사슬 사이의 단단한 인력으로 인해 플라스틱을 분해하기 어렵게 만들 수 있음)은 여기에서 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않았다. 모든 것이 삼켜졌다!

 

여기에는 생물학의 도움으로 일주일 이내에 사라지는 다양한 결정도를 가진 쓰레기에서 처리되지 않은 다양한 플라스틱 제품이 있다.

 

도대체 어떻게 된 걸까?

 

탄소와 에너지의 주요 공급원으로 플라스틱을 먹을 수 있는 박테리아가 있다. 매우 빠르거나 효율적이지는 않지만 그들은 할 수 있다. 그들은 2016년에 우리가 그들을 Ideonella sakaiensis라고 명명했을 때 우리 인간에게 알려졌다. 그들은 일본의 페트병 재활용 시설 밖에서 격리되었으며, 그 환경에서 플라스틱을 먹을 수 있는 능력을 진화시켰다.

 

 

PET 플라스틱을 두 단계로 분해한다:

 

 

PET는 반복되는 단위의 긴 사슬이며, 그 중 하나는 괄호로 표시된다. 아래 첨자 "n"은 중합체가 선형 사슬로 연결된 이러한 단위의 임의의 수("n")를 가질 수 있음을 의미한다. 유용한 플라스틱의 경우 "n"은 수백 또는 수천일 수 있다.

 

어려운 단계는 첫 번째 단계인 PETase이다. 이 박테리아는 플라스틱으로 들어가 폴리머를 함께 고정하는 C-O 결합을 잘라낼 수 있는 효소를 만들고 분비해야 하기 때문이다. 그런 일이 발생하면 MHET와 궁극적으로 에틸렌 글리콜 및 테레프탈산과 같은 작은 분자로 끝난다그 시점에서 많은 박테리아가 이것을 쉽게 먹고 CO2와 물로 전환할 수 있다. 따라서 PETase를 최대한 효율적으로 만들어야 한다.

 

PETase에는 몇 가지 주목할만한 제한 사항이 있다.

 

1) 37°C에서 24시간 이내에 모든 활동을 잃으며 매우 안정적이지 않다.

 

2) 활성은 고온(70°C 이상)에서만 합리적으로 양호하다.

 

따라서 주변 온도와 같은 온도에서 이 효소를 사용하고자 하는 모든 공정은 불안정성과 낮은 활성 비율로 어려움을 겪을 것이다. 그러나 모든 진화 과정에서와 마찬가지로 우리에게 필요한 것은 발판뿐이다. 우리가 원하는 것을 할 수 있는 효소가 있다. 더 활동적이고 안정적으로 만들기만 하면 된다.

 

다행히 2018년까지 PETase의 구조가 해결되었으므로 이제 이 단백질이 접히는 방식과 모든 아미노산이 서로 상대적으로 위치하는 위치가 알려졌다.

 

 

그래서 몇몇 그룹은 그들이 그 구조에 대해 알고 있는 것을 기반으로 특정 위치에서 다른 아미노산을 대체함으로써 PETase를 변형시키려고 시도했지만 약간의 성공만 거두었다. 그들은 조금 더 안정성을 얻었지만 효소는 여전히 고온에서만 실질적으로 유용할 만큼 충분히 활성이었다.

 

지난 몇 년 동안 일어난 또 다른 멋진 개발은 인공지능 기반 플랫폼인 MutCompute로 모든 효소를 검토하고 각 아미노산이 지역 환경에 어떻게 맞는지 판단할 수 있다. PETase에 대한 이러한 종류의 검토는 효소를 보다 안정적으로 만들기 위한 몇 가지 매우 구체적인 권장 사항으로 이어졌다.

 

물론 여기 있는 우리 중 누구도 단백질 화학자가 아니지만(물론 여러분 중 몇 명일 수도 있다) MutCompute가 권장하는 변경 사항 중 하나를 볼 수 있으므로 이것이 도움이 될 수 있는 이유를 시각적으로 파악할 수 있다.

 

 

왼쪽은 자연 유기체에서 직접 분리된 "야생형" PETase이다. 오른쪽은 FAST-PETase이다. 여기서 두 개의 동시 아미노산 변화가 수소 결합(노란색 점선) 상황을 훨씬 다르게 만든다.

 

우리는 단백질에서 서로 가까이 있는 두 개의 아미노산을 동시에 변경하여 상호작용을 도우며 효소를 함께 유지하는 데 도움을 줄 수 있지만, 효소의 전체 구조를 고려하는 계산의 도움 없이는 이러한 조합을 결코 추측할 수 없다.

 

왼쪽의 아미노산 D186(아스파라긴산)을 오른쪽의 H186(히스티딘)으로, 왼쪽의 S121(세린)을 오른쪽의 E121(글루탐산)으로 바꾸면 좋은 수소 결합이 있는 미세 환경을 얻게 된다. 노란색 점선)은 이러한 아미노산 사이의 공간에 형성되어 그 작은 영역에서 전체 구조를 안정화할 수 있지만 전체 효소의 구조를 너무 많이 변경하지는 않다. 예측된 모든 꼬임과 소용돌이 모양은 왼쪽의 황갈색 그림과 오른쪽의 파란색 그림에서 여전히 매우 유사하게 보이지만 노란색 점선으로 표시된 결합은 많이 다르게 보인다.

 

이제 이러한 조작 중 몇 가지를 결합하면 더 높은 온도에서도 훨씬 더 오랜 시간 동안 활성을 유지할 수 있는 훨씬 더 안정적인 효소를 얻을 수 있다는 것이 밝혀졌다.

 

그러나 이것에 대해 나를 놀라게 한 것은 - 그리고 연구원들도 놀랐을 것이라고 확신한다 - 이 총체적으로 조작된 효소는 낮은 온도에서도 훨씬 더 활성적이라는 것이다. 온도를 72°C(162°F)까지 올릴 필요 없이 50°C(122°F)에서 엄청난 활동을 할 수 있다. 사실, 조작된 FAST-PETase 50°C에서 그 어떤 변이체보다 72°C에서 더 활성화된다. 분자가 단순히 더 빨리 움직이기 때문에 화학 반응은 더 높은 온도에서 더 빨리 진행되며, 따라서 72°C에서의 반응은 50°C에서의 반응보다 약 25% 더 빨라야 한다. 그러나 이 새로운 효소는 구조가 촉매로서 훨씬 더 효과적이기 때문에 이를 뒤집는다.

 

대부분의 미생물은 72°C의 물에서 죽지만 50°C에서 번성할 수 있는 많은 박테리아와 곰팡이가 있다. 따라서 이 시점에서 이 효소를 인코딩하는 DNA(MHETase와 함께) 50°C("호열체")에서 잘 작동하는 친화적인 미생물에 넣고 PET 폐기물을 먹게 하는 것이다. 우리는 우리가 좋아하는 DNA를 호열성 물질에 넣는 데 능숙해졌다. 그래서 이것은 매우 가능하다.

 

 

옐로스톤 국립공원의 이 온천과 같은 곳에서 호열성 유기체가 번성한다.

 

또는! 이 효소는 이제 매우 안정적이기 때문에 우리가 그것을 조작하는 데 도움이 되는 일부 박테리아에 의해 대량 생산될 수 있으며(심지어 좋은 오래된 E. coli까지), THAT는 매립 폐기물을 간단히 말해서 목초지로 보내기 위해 약간 가열된 과정에서 사용될 수 있다. 거대한 발효기에서 박테리아에 의해 대량 생산된 효소가 우리가 옷에 묻은 단백질, 지방 및 설탕을 분해하는 세탁실에서 이미 이 작업을 수행한다. 이전에는 PET와 같은 플라스틱으로는 불가능했지만, 이번 개발로 갑자기 가능해졌다.

 

이것은 플라스틱 폐기물이 빠르게 사라지면 가까운 매립지나 호수 또는 바다로 갈 수 있음을 의미한다.

 

이러한 과정에서 CO2가 방출되는 것이 걱정된다면 그것은 정당하지만 이 이야기에는 더 많은 것이 있다!

 

이 공정은 PET를 분해하는 데 사용될 뿐만 아니라 실제로 재구성하는 데에도 사용할 수 있다. 폴리머를 구성 요소로 분해하면 야생의 박테리아가 이를 CO2와 물로 감소시킬 수 있다. 또는 다시 중합할 수 있다. 이는 염료나 제품 잔류물과 같은 불순물을 제쳐두고 "버진" PET를 재생하는 멋진 방법이다. 버려지는 플라스틱의 상태를 크게 신경쓰지 않아도 되는 재활용 프로그램이다.

 

저자는 이 과정을 그림으로 안내한다. 여기에서 그들은 녹색으로 염색된 소비 후 PET FAST-PETase로 분해하고 폴리머 빌딩 블록을 회수하고 이를 무색의 효과적인 신제품으로 재중합한다.

 

 

미처리 녹색염색 PET에서 무색 PET 재생

 

따라서 생분해성 및 퇴비화 가능한 플라스틱에는 많은 가능성이 있지만 조만간 석유 기반 플라스틱에 대해 냉정한 태도를 취하지 않을 것이며 처리해야 할 플라스틱이 산더미처럼 쌓여 있다. 그러나 이제 우리는 실제로 그들을 처리할 수 있는 데 한 걸음 더 다가섰다.

 

박테리아는 생존의 필요성에 직면했을 때 갑자기 똑똑해질 수 있다. 그리고 사람들이 싸워야 할 심각한 문제가 있을 때, 우리가 머리를 똑바로 세우고 이성을 사용하여 우리를 인도한다면 우리도 정말 똑똑해질 수 있다.

 

 
인공지능, 폐 플라스틱 분해 관련기사목록
광고
광고
광고
광고
광고
광고
광고
많이 본 기사
자율차,드론, 교통, 에너지,기후 많이 본 기사