Plastik kirliliği, farklı polimerlerden üretildikleri ve her birinin kendine özgü kimyasal bağlara sahip olduğu için çok yönlü bir sorun teşkil ediyor. Bu durum, bir polimer türünü parçalamak için kullanılan yöntemin başka bir polimerle uyumlu olmamasına yol açabiliyor. Daha önce poliester ve PET gibi yaygın plastikleri parçalayabilen enzimler bulunmuş olsa da, bu çözümler plastik atık sorununa tam anlamıyla çare olamıyor.
Ancak, bilim insanları bu kısmi çözümlerle yetinmeyerek, daha gelişmiş protein tasarım araçlarını kullanmaya başladılar. Bu bağlamda, köpük yastıklar ve benzeri ürünlerde yaygın olarak kullanılan poliüretanı parçalamak üzere tamamen yeni bir enzim geliştirildi. Bu yeni enzim, poliüretanı temel yapı taşlarına ayırarak, bu yapı taşlarının tekrar yeni poliüretan üretimi için kullanılmasına olanak tanıyan endüstriyel ölçekli bir geri dönüşüm sürecine uyumlu hale getirildi.
Poliüretanın Parçalanması
Geliştirilen bu yeni enzimi anlatan araştırma makalesi, sorunun boyutunu gözler önüne seriyor: 2024 yılında tam 22 milyon metrik ton poliüretan üretildi. Poliüretanların ayırt edici özelliği olan üreten bağı, bir azot atomunun bir karbona, bu karbonun da iki oksijene bağlı olmasıyla oluşuyor. Bu bağlarla birbirine bağlanan polimer zincirleri oldukça karmaşık yapıda olabiliyor ve genellikle benzen ile ilişkili halkalı yapılar içeriyor.
Poliüretanları sindirmek oldukça zorlu bir süreç. Bireysel polimer zincirleri sıklıkla çapraz bağlıdır ve hacimli yapıları, enzimlerin parçalayabilecekleri bağlara ulaşmasını engelleyebilir. Diyetilenglikol gibi kimyasallar, bu molekülleri yüksek sıcaklıklarda kısmen parçalayabilse de, geriye kullanışlı reaksiyonlara geri beslenemeyen karmaşık bir kimyasal atık yığını bırakıyor. Bu atıklar genellikle tehlikeli atık olarak yakılıyor.
Daha etkili bir çözüm bulmak amacıyla araştırma ekibi, diyetilenglikol ile entegre edilebilecek bir enzim bulmaya odaklandı. İlk olarak, literatürde poliüretanları parçaladığı bildirilen tüm enzimler test edildi. Bu 15 enzimin tamamı incelendiğinde, yalnızca üç tanesi test edilen polimer üzerinde orta düzeyde aktivite gösterdi ve büyük ölçüde polimeri temel bileşenlerine ayıramadı.
Bunun üzerine araştırmacılar, en yüksek aktiviteye sahip enzime odaklanarak, kamuya açık veri tabanlarında benzer proteinleri araştırdılar ve AlphaFold veri tabanındaki öngörülen yapıları kullanarak benzer yapıya sahip daha uzak akraba proteinleri tespit ettiler. Bu proteinler tek başlarına pek etkili olmasa da, benzer bir yapıya katlanabilen dizileri tespit etmek için bir yapay zekayı eğitmekte kullanıldılar.
Yeni Bir Enzim
Ekibin çalışmaya başladığı araç, bir proteinin herhangi bir amino asidinin, yapının bağlayabileceği kimyasallarla temas edip etmeyeceğini ve diğer fonksiyonel özellikleri belirleme konusunda uzmanlaşmış bir sinir ağı olan Pythia-Pocket idi. Bu, herhangi bir proteinin kararlı bir yapı oluşturup oluşturmayacağını öngören Pythia sinir ağı ile birleştirildi.
Araştırmacılar, poliüretanı parçalamak için iyi bir adayın belirli özelliklere sahip olması gerektiğini düşündüler: Yapısal olarak, üzerinde çalıştıkları enzime benzemeliydi. Ayrıca, enzim aktivitesi gösterecek benzer bir bağlanma cebi oluşturacak kadar düzenli, ancak farklı tipteki poliüretanlara esnekçe uyum sağlayamayacak kadar katı olmayan bir yapı arasında bir denge kurulmalıydı. Bu dengeyi sağlamak için ekip, her geçişte amino asit pozisyonlarını güncelleyen ve yapıyı optimize etme ile bağlanma cebi arasında bir denge kuran bir mesajlaşma arayüzü kullandı. Sonuç olarak GRASE adlı, grafik sinir ağı tabanlı aktif ve kararlı enzim önerisi yazılımı geliştirildi.
Elde edilen sonuçlar oldukça etkileyiciydi. Yazılım tarafından değerlendirilen en yüksek puanlı 24 proteinden 21'i bir miktar katalitik aktivite gösterdi ve sekizi, daha önce bilinen en iyi enzimin performansını geride bıraktı. En iyi tasarımlar, mevcut enzimin 30 katı aktiviteye sahipti.
Diyetilenglikol karıştırılıp karışım 50°C'ye ısıtıldığında ise sonuçlar daha da iyileşti. Bu koşullar altında, yeni tasarlanmış enzim, en iyi performans gösteren doğal enzime göre 450 kat daha aktifti. 12 saat içinde reaksiyon karışımındaki poliüretanın %98'ini parçalayabildi. Enzim, enzim aktivitesi düşmeye başlamadan önce iki kez daha yeni bir poliüretan karışımına eklenebilecek kadar kararlıydı.
Laboratuvar testlerinden kilogram ölçekli sindirim çalışmalarına geçildiğinde de aynı sonuçlar gözlemlendi: Malzemenin %95'inden fazlası, poliüretanın yapıldığı başlangıç maddelerine ayrıldı.
Araştırmacılar, geliştirdikleri araçların yalnızca proteinin oluşturduğu yapıya odaklanmakla kalmayıp, aynı zamanda stabilitesi ve sindirdiği malzemelerle etkileşime girmesi muhtemel amino asitler gibi fonksiyonel özelliklerine ilişkin bilgileri de içerdiğini vurguluyor. Bu yaklaşımların, benzer bir 3 boyutlu yapının oluşturulmasına odaklanarak fonksiyonel proteinler elde etme konusunda daha fazla bilgi sağlayabileceği öngörülüyor.
