塑料制品经常堆积在垃圾填埋场或溢出到自然栖息地，占据空间并危及野生动物。为了解决这个问题，美国国家科学基金会 （NSF） 的一组大学和行业研究人员获得了资助，用于开发生产坚固且可重复使用的生物塑料的机制。除了生态效益外，这些由国内原材料培育的生物塑料可能有助于加强美国的供应链和制造业。

塑料生产是一个价值近 1 万亿美元的产业，2022 年产量超过 4 亿吨。然而，只有大约 10% 的塑料被回收利用。普渡大学农业与生物工程助理教授 Karthik Sankaranarayanan 和他的合作者共同获得了 NSF 的 700 万美元资助，用于设计新型酶——一种加速化学反应的蛋白质——将各种生物材料转化为可生物降解的塑料。

可无限回收，具有良好的机械强度

该研究计划开发的酶将具有与目前主导市场的塑料类型相似的韧性和延展性水平。然而，这些新的生物塑料——聚羟基脂肪酸酯 （PHA）——将使用玉米、糖或农业废弃物等国产原料生产，而不是依赖石油基化学品。

“今天生产的塑料中有近 99% 是由从石油或天然气中提取的石化产品制成的，这些石化产品通常必须从美国境外进口，”Sankaranarayanan 说。“我们希望利用当地可用的材料，例如印第安纳州常用的材料。”

此外，在保留其机械强度的同时，Sankaranarayanan 声称它们可以无限回收。

“你可以把这些聚合物分解成单独的单元，然后一次又一次地重复使用它们，”Sankaranarayanan 说。“PHA 是在近一个世纪前发现的，但它们在高温下可能很脆弱且不稳定，阻碍了它们在消费品或医疗设备中的广泛使用。我们的平台将能够调整最终聚合物的化学结构，使其具有适当水平的机械强度和热稳定性。这将为从包装到生物医学设备的各种应用打开大门。

生物催化，实现高效和可持续的替代品

这个为期三年的项目的主要重点是生物催化——使用酶来加速高度特异性的反应，在没有苛性化学品或极端条件下生产出所需的产品。生物催化使生物制造成为传统化学制造的更可持续、更高效的替代方案。创建计算工具来识别生物催化的机会是释放其潜力的关键。

普渡大学的研究人员正在开发算法来选择制造所需生物塑料所需的酶和反应。然后，加州大学旧金山分校 （UCSF） 的研究人员将使用先进的蛋白质计算设计方法来设计这些酶，这些方法利用深度学习，深度学习是一种模仿大脑识别模式的机器学习技术。

一旦酶被设计出来，它们将被送到斯坦福大学的研究人员那里测试它们的功能，然后送到普渡大学，在那里研究人员将分析它们的反应速度以及它们调整聚合物化学结构的能力。最后，加州大学伯克利分校的研究人员将确定它们的特性和商业化潜力，以及如何改造微生物以扩大生物制造规模。

提高序贯反应工程酶的稳定性

Sankaranarayanan 将寻找适应性强的酶列为与该项目相关的主要挑战之一。

“我们正在使用的酶——聚酮合酶 （PKS）——是一种复杂的酶，能够以流水线方式催化连续化学反应，生产复杂的抗生素，”Sankaranarayanan 说。“然而，它们并不是为在制造生物塑料的工业过程中工作而设计的。因此，我们正试图弄清楚如何改变它们的自然化学反应以生产所需的生物塑料，同时提高工程酶的稳定性，使它们能够进行大规模生物制造。

在制造环境中使用这些酶的另一个挑战是它们的 DNA 组成。PKS 含有高含量的鸟嘌呤和胞嘧啶——DNA 中携带遗传信息的四个碱基中的两个——这给后续酶生产的 DNA 合成制造带来了重大挑战。该项目的另一个合作伙伴 Twist Bioscience 开发了这项技术，使研究人员能够设计必要的酶。

Twist Biosciences 首席执行官兼联合创始人 Emily Leproust 表示：“与普渡大学合作阐明了复杂序列的实际应用，这使 Twist 能够进一步提高我们大规模制造困难和以前难以制造的序列的能力，将曾经被认为困难的事情变成常规。“这个项目提供了一个强有力的例子，说明创新和合作伙伴关系如何扩大多种现实世界应用的发现边界。”

除了团队对生物制造的贡献外，他们还将为学生提供研究机会，并为更广泛的科学界提供资源。已经聘请了三名研究生从事该项目，研究人员将招募农业和生物工程、计算机科学、化学和化学工程领域的本科生。

Sankaranarayanan 表示，他们还将提供对其所有工具和工作流程的开源访问，因为只需进行一些细微的调整，它们就可以应用于药品、农用化学品、杀虫剂或除草剂，甚至其他类型的生物材料，例如橡胶。他们还将开发一个由加州大学旧金山分校领导的蛋白质设计研讨会，普渡大学将提供有关设计分步酶过程的模块。

“我真正喜欢这笔赠款的一件事是，我们有来自所有这些不同大学的研究人员、博士后和研究生，他们每个人都带来了一套独特的优势，”Sankaranarayanan 说。“因此，普渡大学的学生有机会与其他一些教职员工及其实验室成员互动，这是非常令人兴奋的。”

该项目由 NSF 技术、创新和合作伙伴关系局通过 Use-Inspired Acceleration of Protein Design 计划资助。