تطوير إنزيم يفكك البلاستيك خلال أسبوع بالاعتماد على تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي

وصلت المخلفات البلاستيكية في كوكبنا إلى مستويات مقلقة، ومازالت الأبحاث مستمرة لإيجاد طرق للتخلص من البلاستيك أو إعادة تدويره دون التسبب في أضرار طويلة المدى على البيئة. في أحد الأبحاث الحديثة، استخدم علماء من جامعة تكساس في أوستن تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي لإنتاج إنزيم يفكك البلاستيك خلال أسبوع واحد فقط، بدلاً من تركه قروناً ليتحلل.

بلاستيك البولي إيثيلين تيريفثاليت والتخلص منه عالمياً

يُستخدم البلاستيك على نطاق واسع نظراً لمتانته وسهولة تصنيعه بتكلفة منخفضة، لكن التخلص منه بات كابوساً يهدد الأرض والكائنات الحية عليها. أحد المواد الشائعة التي يصنع منها البلاستيك هي "البولي إيثيلين تيريفثالات" (PET)، وهو بلاستيك شفاف وقوي وخفيف الوزن؛ إنه أيضاً الاسم الكيميائي للبوليستر. تُستخدم مادة البولي إيثيلين تيرفثالات في تغليف الأطعمة وزجاجات المياه. يمثل هذا النوع من البلاستيك 12% من إجمالي النفايات البلاستيكية في العالم، مع العلم أنه تمت إعادة تدوير أقل من 10% فقط من جميع المواد البلاستيكية في العالم.

للتخلص من البلاستيك يجب تفكيكه إلى لبنات البناء الأساسية الخاصة به والتي تُعرف بـ "المونومرات" الأولية التي يمكن إعادة استخدامها من جديد لتصنيع بلاستيك جديد دون الحاجة إلى استخدام موارد بترولية إضافية. في الطبيعة، تفكك البكتيريا البلاستيك إلى المونومرات بواسطة الإنزيمات، وفي حال أردنا الاستفادة من هذه الإنزيمات لتعزيز عملية التفكيك نحتاج إلى درجات حرارة عالية.

خوارزمية تعلم آلي تساعد في تصميم إنزيم يفكك البلاستيك

في البحث الذي أجراه العلماء في جامعة تكساس، والذي نُشر في دورية "نيتشر" (Nature) العلمية، تم تدريب خوارزمية تعلم آلي للتنبؤ بمواضع الأحماض الأمينية في هياكل الإنزيم، واختبار تسلسلات مختلفة للعثور على تسلسل يعمل في درجات حرارة ودرجات حموضة مختلفة.

وبالفعل تمكن الباحثون من الحصول على إنزيم أطلقوا عليه اسم (FAST-PETase)، وهو إنزيم وظيفي ونشط ومستقر ومتحمل، تم تطويره من إنزيم (PETase) الطبيعي الذي يسمح للبكتيريا بتحليل بلاستيك البولي إيثيلين تيريفثالات وتعديله باستخدام التعلم الآلي لتحديد خمس طفرات تمكنه من تحليل البلاستيك بشكل أسرع في ظل ظروف بيئية مختلفة.

اختبر الفريق قدرة الإنزيم الجديد على تفكيك البلاستيك، وفي النتيجة تم تفكيك المنتجات المصنوعة من البولي ايثيلين تيريفثالات في غضون 8 أيام، وفي بعض الحالات تمكن الفريق من ذلك خلال 24 ساعة فقط. وبمجرد أن يؤدي الإنزيم وظيفته المتمثلة في تفكيك البلاستيك إلى وحداته الجزيئية الأساسية، أظهر الباحثون بعد ذلك أنه يمكنهم إعادة تجميع البلاستيك مرة أخرى باستخدام العمليات الكيميائية لإنتاج منتجات بلاستيكية جديدة.

يقول "هال ألبير"، مهندس كيميائي من جامعة تكساس في أوستن ومشارك في الدراسة: "الاحتمالات لا حصر لها عبر الصناعات للاستفادة من عملية إعادة التدوير الرائدة هذه. وبالإضافة إلى صناعة إدارة النفايات الواضحة، يوفر هذا أيضاً للشركات من كل قطاع الفرصة لأخذ زمام المبادرة في إعادة تدوير منتجاتها. من خلال هذه الأساليب الإنزيمية الأكثر استدامة، يمكننا البدء في تصوّر اقتصاد حقيقي من البلاستيك المعاد تدويره".

ميزات الإنزيم الجديد وقدرته على تفكيك البلاستيك

أثبت الإنزيم FAST-PETase فعاليته في تفكيك 51 نوعاً مختلفاً من المنتجات البلاستيكية، و 5 ألياف بوليستر مختلفة وأقمشة وزجاجات مياه مصنوعة من البولي ايثيلين تيريفثالات، وذلك بدرجات حرارة أقل من 50 درجة مئوية.

يقول ألبير: "عند التفكير في تطبيقات التنظيف البيئي، فأنت في حاجة إلى إنزيم يمكنه العمل في البيئة في درجة حرارة الغرفة. هذا المطلب هو المكان الذي تتمتع فيه تقنيتنا بميزة كبيرة في المستقبل".

من الميزات الإضافية للإنزيم أن إنتاجه منخفض التكلفة نسبياً، وقابل للنقل، وليس من الصعب الارتقاء به إلى المستويات الصناعية المطلوبة، ومن ثم استخدامه لتنظيف المواقع الملوثة بالبلاستيك. تتمثل الخطوة التالية في معرفة كيفية توسيع نطاق العملية بطريقة فعالة وبأسعار معقولة.

في الوقت الحالي، تتمثل أكثر الطرق شيوعاً للتخلص من البلاستيك في رميها في مكب النفايات لتتفكك بمعدل بطيء جداً، أو حرقها وهو أمر يكلف الكثير، ويستهلك الكثير من الطاقة، ويملأ الغلاف الجوي بالغازات الضارة. تشمل العمليات الصناعية البديلة الأخرى عمليات كثيفة الاستهلاك للطاقة مثل تحلل السكر و / أو الانحلال الحراري و / أو تحلل الميثان.

من الواضح أن هناك حاجة ماسة إلى استراتيجيات بديلة، تعتمد على الحلول البيولوجية التي تستهلك قدراً أقل من الطاقة، وقد تكون هذه واحدة منها. على الرغم من أن إيجاد بدائل مستدامة عن البلاستيك هو الحل الأمثل.