塑料產品經常堆積在填埋場或流入自然棲息地，佔據空間並危害野生動物。為了解決這個問題，一支由大學和行業研究人員組成的團隊獲得了來自美國國家科學基金會（NSF）的資助，旨在開發生產堅固且可重複使用的生物塑料的機制。這些生物塑料除了有助於環境保護之外，還能從國內原材料中獲得，有助於加強美國的供應鏈和製造業。
塑料的生產是一個近 1 萬億美元的行業，2022 年全球生產超過 4 億公噸的塑料。不過，只有大約 10% 的塑料能夠被回收。普渡大學農業及生物工程助理教授 Karthik Sankaranarayanan 和他的合作者們獲得了 700 萬美元的 NSF 資助，旨在設計新型酶——這些蛋白質可以加速化學反應，將各種生物材料轉化為可生物降解的塑料。
在這個項目中開發的酶將具有與傳統塑料相似的韌性和可塑性。這些新型生物塑料，聚羥基烷酸酯（PHAs），將利用國內生產的原料，如玉米、糖或農業廢料來生成，而非依賴石油基化學品。Sankaranarayanan 表示：「如今生產的塑料中有近 99% 是由石油或天然氣衍生的石化產品製成，這些產品通常需要從美國以外地區進口。我們希望利用當地可用的材料，例如印第安納州普遍使用的那些。」
此外，儘管保留了機械強度，Sankaranarayanan 也聲明，PHAs 將是無限可回收的。他提到：「您可以將這些聚合物分解為其單個單位，然後不斷重複使用。」他補充道，儘管 PHAs 的發現距今已有近一個世紀，但它們在高溫下可能會變得脆弱和不穩定，這限制了它們在消費品或醫療設備中的廣泛應用。這個新平台旨在調整 PHAs 的化學結構，以提高其強度和熱穩定性，從而潛在地擴展到包裝和生物醫學設備等應用。
這項為期三年的項目專注於生物催化，利用酶加速特定反應以生產所需產品，且不需使用劇烈化學品或極端條件。普渡大學的研究人員正在創建算法，以選擇適合生物塑料生產的酶。加州大學舊金山分校的合作者將利用深度學習對這些酶進行工程改造，之後，斯坦福大學將測試其功能。而普渡大學的研究人員則會分析反應速度和結構調整，加州大學伯克利分校將評估其性能、商業化潛力以及微生物工程的擴大應用。
在酶工程方面存在的挑戰也不容忽視。「我們正在研究的酶——聚酮合成酶（PKSs）——是能夠催化連續化學反應以生產複雜抗生素的高級酶。」Sankaranarayanan 說。「然而，它們並不是設計來適應創造生物塑料的工業過程。因此，我們正在努力找出如何改變它們的自然化學反應，以生產所需的生物塑料，並同時提高經過工程改造的酶的穩定性，使其適合大規模生物製造。」
PKSs 也因其 DNA 結構中的高含量的鳥嘌呤和細胞嘧啶而面臨挑戰。項目的合作夥伴 Twist Bioscience 已經開發出技術來克服這一瓶頸。Twist Biosciences 的首席執行官兼聯合創始人 Emily Leproust 表示：「與普渡大學的合作揭示了複雜序列的現實應用，這使得 Twist 進一步提升我們在大規模生產難以製造的序列的能力，把曾經被視為困難的事情變為常規。」除了研究外，該項目還將為學生提供培訓機會，並開放工具和工作流程的開源訪問，這些工具和流程也可應用於製藥、農用化學品、農藥、除草劑及橡膠等生物材料。加州大學舊金山分校將主辦一場蛋白質設計工作坊，普渡大學則會提供有關酶過程設計的模塊。
Sankaranarayanan 表示：「我非常喜歡這筆資助項目的一點是，我們有來自不同大學的研究人員、博士後和研究生，他們各自帶來獨特的專業優勢。」這個項目由 NSF 的技術、創新和夥伴關係部門通過以需求為導向的蛋白質設計加速計劃提供資金支持。
