Ένζυμα αποδομούν το πλαστικό με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης

Η αξιοποίηση της τεχνητής νοημοσύνης στην ανακύκλωση πλαστικού με τη χρήση ενζύμων βρίσκεται στο επίκεντρο της έρευνας που πραγματοποιεί η καινοτόμος start up Protein Evolution σε συνεργασία με το αμερικανικό Υπουργείο Ενέργειας.

Η έρευνα περιλαμβάνει δύο παράλληλα στάδια: αφενός χρησιμοποιεί την τεχνητή νοημοσύνη για να εντοπίσει τα κατάλληλα ένζυμα που διασπούν το πλαστικό, καθώς και υπολείμματα υφασμάτων, και αφετέρου διερευνά τους βέλτιστους τρόπους για την απλοποίηση της παραγωγής των ενζύμων σε μεγάλη κλίμακα.

Η Protein Evolution συνεργάζεται με τη Μονάδα Ανάπτυξης Διαδικασιών Προηγμένων Βιοκαυσίμων και Βιοπροϊόντων (ABPDU) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, με το Ινστιτούτο Joint BioEnergy (JBEI) και με την Agile BioFoundry (ABF), μια κοινοπραξία επτά αμερικανικών εργαστηρίων που ασχολούνται με τη βιώσιμη παραγωγή χημικών και καυσίμων με χαμηλό κόστος. Από κοινού αναζητούν τρόπους για τη μετάβαση από την έρευνα στην μαζική παραγωγή ενζύμων, προκειμένου να εξασφαλίσουν ότι θα μπορούν να παραχθούν σε ευρεία κλίμακα.

Βασικός στόχος του προγράμματος είναι η μείωση των εκπομπών κατά την κατασκευή πλαστικών με βάση το πετρέλαιο και η εξεύρεση μιας πιο βιώσιμης λύσης για τη διαχείριση των απορριμμάτων από πλαστικά και κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα αντί για την υγειονομική ταφή ή την καύση.

Το πρόβλημα των πλαστικών αποβλήτων και η μέθοδος ανακύκλωσης της Protein Evolution

Το παγκόσμιο πρόβλημα των πλαστικών αποβλήτων είναι τεράστιο: υπολογίζεται ότι περίπου 460 εκατ. τόνοι πλαστικού παράγονται ετησίως, από τους οποίους μόλις το 9% ανακυκλώνεται, σύμφωνα με τον ΟΟΣΑ. Το υπόλοιπο καταλήγει σε χωματερές ή σε μονάδες καύσης. Σε αυτό το 91% που δεν ανακυκλώνεται στοχεύει η Protein Evolution με την τεχνογνωσία της, διαβλέποντας ότι εδώ υπάρχουν δυνατότητες για βιολογική ανακύκλωση.

Η εύρεση του κατάλληλου ενζύμου που θα διασπά γρήγορα το πλαστικό χωρίς να δημιουργεί μικροπλαστικά και χωρίς να υποβαθμίζει το υλικό κατά τη διαδικασία, είναι το κλειδί της υπόθεσης. Όμως, ο αριθμός των πιθανών ενζύμων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν είναι τεράστιος. Στο σημείο αυτό επιστρατεύεται η τεχνητή νοημοσύνη.

Η μέθοδος της Protein Evolution ονομάστηκε Biopure: εφαρμόζει ένα αποκλειστικό μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης με δεδομένα για δεκάδες χιλιάδες πρωτεΐνες οι οποίες του επιτρέπουν να παράγει χιλιάδες συνδυασμούς αμινοξέων που δημιουργούν νέα ένζυμα. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούνται αλγόριθμοι, συμπεριλαμβανομένου του συστήματος AI AlphaFold που αναπτύχθηκε από την Google DeepMind, το οποίο προβλέπει τη δομή κάθε πρωτεΐνης από την αλληλουχία αμινοξέων της, και δοκιμάζει στο εργαστήριο αυτές που φαίνονται εν δυνάμει πιο αποτελεσματικές. Η κυκλική διαδικασία ολοκληρώνεται πλήρως, αφού το «αποδομημένο» υλικό που παράγεται είναι απολύτως ίδιο με την αρχική πρώτη ύλη.

Η μέθοδος ανακύκλωσης της Protein Evolution δίνει ως τελικό προϊόν καθαρό τερεφθαλικό οξύ (PTA) και μονοαιθυλενογλυκόλη (MEG). Αυτές οι ουσίες δεν διακρίνονται από τα μονομερή που προέρχονται από το πετρέλαιο και τα οποία χρησιμοποιούνται για την αρχική παραγωγή πλαστικού σήμερα, αλλά έχουν πολύ χαμηλότερο αποτύπωμα άνθρακα και είναι κατάλληλες για την παραγωγή προϊόντων κλωστοϋφαντουργίας και συσκευασίας. Δηλαδή το πλαστικό μετατρέπεται σε πρώτη ύλη, όπως για παράδειγμα σε κόκκους πολυεστέρα από τους οποίους θα κατασκευαστούν νήματα και υφάσματα.

Ήδη η εταιρεία ξεκίνησε συνεργασία με τη σχεδιάστρια μόδας Stella McCartney παίρνοντας τα υλικά που περισσεύουν από την παραγωγή του εργοστασίου της – ρετάλια από πολυεστέρα και νάιλον υφάσματα από προηγούμενες συλλογές – μετατρέποντάς τα σε πρώτη ύλη για επόμενες κολεξιόν.

Το πρώτο ρούχο που κατασκευάστηκε με αυτή τη διαδικασία, από βιολογικά ανακυκλωμένο πολυεστέρα και υπολείμματα από υλικά συσκευασίας, ήταν ένα γυναικείο πανωφόρι, η οποία παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στην COP28 – τη Σύνοδο των Ηνωμένων Εθνών για την Κλιματική Αλλαγή – τον Δεκέμβριο στο Ντουμπάι. Η εταιρεία επεκτείνει τώρα την έρευνα για ένζυμα που θα διαλύουν το νάιλον και την πολυουρεθάνη. 

Η Protein Evolution χρηματοδοτείται από το Collab SOS (μέλος του Collaborative Fund), ένα ταμείο το οποίο υποστηρίζει επιχειρηματίες που τροφοδοτούν την βιώσιμη οικονομία με λύσεις για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής σε επίπεδο υλών, συστατικών, ενέργειας και αλυσίδων εφοδιασμού.

O Connor Lynn, συνιδρυτής της εταιρείας, εκτιμά ότι τα ετήσια έσοδα από την πιλοτική μονάδα θα φθάσουν σε μονοψήφιο αριθμό εκατομμυρίων το επόμενο έτος και ότι η πρώτη εμπορική εγκατάσταση θα έχει άμεσα έσοδα ύψους 100 εκατ. δολαρίων. «Δεν μπορεί να λυθεί το πρόβλημα της κλιματικής κρίσης εάν δεν λύσουμε το πρόβλημα των πλαστικών», λέει.

Η ανακάλυψη δεν είναι καινούργια. Η ύπαρξη ενζύμων που μπορούν «να τραφούν» με πλαστικό είναι γνωστή εδώ και δεκαετίες. Το 2016, ιαπωνική ερευνητική ομάδα κατάφερε να αποσυνθέσει πλαστικά μπουκάλια (τις γνωστές συσκευασίες ΡΕΤ) εφαρμόζοντας ένα ένζυμο που ονόμασε PETase, αλλά η εφαρμογή δεν προχώρησε μαζικά γιατί η διαδικασία ήταν πολύ χρονοβόρα. Επίσης, το εργαστήριο ESPCI Paris Tech πειραματίζεται εδώ και χρόνια με την παραγωγή ενζύμων που διασπούν τα πολυμερή με σκοπό την ανακύκλωση. Ωστόσο, η Protein Evolution πρωτοπορεί βάζοντας πολύ ψηλά τον πήχυ με έναν φιλόδοξο στόχο: να δημιουργήσει ένα εντελώς νέο είδος πλαστικού που θα είναι βιοδιασπώμενο.

Ο Paul Anastas, Καθηγητής Χημείας στο Yale και επιστημονικός σύμβουλος στην εταιρεία, το εξηγεί ως εξής: «Αφού διασπάσουμε το ΡΕΤ στα δομικά του συστατικά, μπορούμε να το ανασυνθέσουμε ως ΡΕΤ. Μπορούμε όμως και να χρησιμοποιήσουμε τα συστατικά αυτά για να φτιάξουμε διαφορετικά υλικά με νέες ιδιότητες και εφαρμογές και τελικά να δημιουργήσουμε ‘καλά’ πλαστικά».

Σε μια παράλληλη εξέλιξη, ερευνητές από τα Πανεπιστήμια του Λέστερ και του Κέιπ Τάουν ανακάλυψαν ότι το χρώμα επηρεάζει την ταχύτητα με την οποία αποσυντίθεται το πλαστικό. Συγκεκριμένα, τα πλαστικά με ζωηρά χρώματα – ιδίως κόκκινο, πράσινο και μπλε – διαλύονται γρηγορότερα, δημιουργώντας μικροπλαστικά, απ’ ό,τι τα μαύρα, λευκά ή ασημί, χρώματα που φαίνεται να προστατεύουν το πλαστικό από την υπεριώδη ακτινοβολία.

Οι Άγγλοι ερευνητές άφησαν πλαστικά καπάκια εκτεθειμένα σε μια ταράτσα στο Λέστερ και οι Νοτιοαφρικανοί συνάδελφοί τους σε μια παραλία του Κέιπ Τάουν. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακά όμοια και στις δύο απομακρυσμένες αυτές περιοχές. Μέσα σε μόλις τρία χρόνια και σε συνθήκες δροσιάς και συννεφιάς, διαπιστώθηκε πράγματι μεγάλη διαφορά με τη μεγαλύτερη αλλοίωση να υφίστανται τα ζωηρόχρωμα πλαστικά.

Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι η μελέτη έχει σημαντικές επιπτώσεις στον σχεδιασμό των υλικών, καθώς η αποφυγή της χρήσης του κόκκινου, μπλε και πράσινου χρώματος θα μπορούσε να βοηθήσει στη μείωση της ρύπανσης από μικροπλαστικά. Αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια αποσυντεθειμένου πλαστικού έχουν διασκορπιστεί παντού σε όλη τη Γη, σε παρθένες περιοχές, στον ανθρώπινο οργανισμό και ακόμη και στα σύννεφα. Η εξάλειψή τους θα είναι σωτήρια για τον πλανήτη.

Λ.Μπ.

Με πληροφορίες από Forbes, Plasticstoday, Specialty Fabrics Review, Euronews

Δείτε περισσότερα άρθρα σχετικά με την κλιματική αλλαγή στο www.clima21.gr