Yapay zeka destekli enzim keşfi, poliüretan köpüğün saatler içinde %98,6 oranında parçalanmasını sağlıyor

Yapay zekanın kullanımı her sektörde yayıldıkça ve her geçen gün hayatımızın bir parçası haline geldikçe, araştırmacılar aynı zamanda dünyanın en büyük sorunlarından bazılarını çözmek için kullanılabilecek yolları da arıyorlar. Bu sorunlardan biri, dünyanın giyimden tıbbi malzemeye ve gıda ambalajlarına kadar her şeyin üretiminde plastiğe bağımlı olmasıdır; bu da her geçen gün daha fazla birikerek biyolojik olarak parçalanamayan çok büyük miktarda atık oluşmasına neden oluyor. Bunların çoğu, çeşitli ekosistemlere zarar vererek, yiyecek ve su kaynaklarımıza giren aşırı miktarda mikroplastik oluşmasına neden oluyor.

Bu malzemelerin geri dönüşümüne ihtiyaç olduğu açıktır. Ancak plastikler verimli bir şekilde geri dönüştürülmesi en zor malzemelerden biri olmaya devam ediyor. Ancak şimdi bir araştırmacı ekibi, yapay zekanın yardımıyla süreci kolaylaştırmanın bir yolunu bulmuş olabilir. Çalışmaları, şu dergide yayınlandı: Bilimbir sinir ağının, plastiği kendi başlarına bulduklarından daha hızlı ve daha verimli bir şekilde parçalayabilen enzimleri bulmalarına nasıl yardımcı olduğunu ayrıntılarıyla anlatıyor.

Plastik geri dönüşüm sorunu

Küresel geri dönüşüm oranı yalnızca %9 civarında kaldığından çoğu plastik hiçbir zaman geri dönüştürülmüyor. Bazı plastiklerin geri dönüşümü diğerlerinden daha kolaydır. Örneğin, koşu ayakkabılarında bulunanlar gibi esnek köpüklerde, yapıştırıcılarda, kaplamada ve yalıtımda yaygın olarak kullanılan poliüretan (PU) plastiklerin geri dönüşümü daha zor bir malzemedir. Ancak 2024 yılında dünya çapında 22 milyon mt PU plastik tüketildi.

Çapraz baÄŸlı yapıları ve stabil üretan baÄŸları nedeniyle termoset PU’ların geri dönüşümü zordur. Bir malzemenin etilen glikol kullanılarak kendisini oluÅŸturan monomerlere parçalandığı bir süreç olan glikoliz ÅŸu anda ana endüstriyel geri dönüşüm yöntemidir, ancak kalan ürünlerin büyük bir kısmı aslında kullanılamaz, tehlikeli atıklardır.

Çalışmanın yazarları şöyle açıklıyor: “Eriyik ekstrüzyon yoluyla amorf hallere yeniden kalıplanabilen polietilen tereftalat (PET) gibi termoplastiklerden farklı olarak, termoset poliüretanlar, enzimatik saldırıya karşı duyarlılığı artıracak ÅŸekilde yeniden ÅŸekillendirilemez. Bu nedenle, termoset malzemelerin neden olduÄŸu depolimerizasyon zorluklarının üstesinden gelmek için alternatif geri dönüşüm tekniklerine ihtiyaç vardır.”

Plastik parçalayıcı enzimlerin aranması

PU atıklarını glikoloz kullanarak tamamen geri dönüştürmek için belirli enzimlere ihtiyaç vardır. Özellikle, PU atıklarının tam olarak geri dönüştürülmesini saÄŸlamak için zorlu, solvent açısından zengin ortamlarda çalışabilen saÄŸlam, etkili enzimlere ihtiyaç vardır, ancak bunların tanımlanması zordur. AraÅŸtırmacılar, belirli koÅŸullar altında PU’yu parçalayabilecek özelliklere sahip olabilecek enzimleri arayarak mevcut literatürü araÅŸtırmalıdır. Bu çok zaman alabilir. Daha sonra enzimlerin test edilmesi gerekir.

Takımın yaptığı da tam olarak buydu ve ilk sonuçları pek de tatmin edici deÄŸildi. Literatürden seçilen 14 enzimden üçü, test ettikleri polimere karşı yeterince iyi çalıştı ve sonunda yalnızca biri, Aes72, daha fazla geliÅŸme için umut verici bir aday olarak ortaya çıktı. Yine de Aes72’nin aktivitesi ve solvent uyumluluÄŸu bir miktar eksikti.

AI kurtarmaya mı geliyor?

Daha sonra araştırmacılar yapay zekaya yöneldi. Spesifik olarak, PU geri dönüşümü için daha uygun enzimleri tanımlamak amacıyla aktif ve kararlı enzimleri keşfetmeye yönelik GRASE adı verilen bir grafik sinir ağı (GNN) tabanlı çerçeve kullanıldı ve bunlar daha sonra Aes72 ile karşılaştırıldığında dizileri veya yapısal kimlikleri temel alınarak önceliklendirildi.

GRASE, en üst sıralarda yer alan 24 adayı belirledi ve bunlar daha sonra ticari PU köpük ve glikolizden türetilmiş atık kullanılarak laboratuvarda doğrulandı. Enzimlerin birçoğu iyi performans gösterirken, özellikle bir tanesi öne çıktı. AbPURase olarak adlandırılan enzim, önceki enzimlere göre daha yüksek aktiviteye sahipti ve yapısal analizi, sert solventlerde stabilite ve verimlilik kazandıran özellikleri ortaya çıkardı.

Test edildiÄŸinde AbPURase, ticari PU köpüğün kilogram ölçeÄŸinde sekiz saat içinde %95’inin ve 12 saatte %98’inin depolimerizasyonunu saÄŸladı. Daha yüksek bir enzim yüklemesinde sekiz saat sonra %98.6 depolimerizasyon elde edildi. Çalışmanın yazarları, sinir ağı aracının AbPURase’in seçilmesindeki performansını “olaÄŸanüstü” olarak nitelendiriyor.

AraÅŸtırmanın yazarları ayrıca bazı enzimlerin ÅŸaşırtıcı derecede kullanışlı olduÄŸuna da dikkat çekiyor. “Geleneksel olarak esteraz olarak sınıflandırılan AbPURase gibi enzimlerin bu çalışmada öncelikle üretanazlar olduÄŸu tespit edildi.

“Bu gözlem, enzim karışıklığı ve ek iÅŸ kullanımı üzerine daha geniÅŸ kapsamlı araÅŸtırmalarla uyumludur; pek çok enzimin kesin olarak spesifik olmaktan ziyade, geleneksel sınıflandırma yöntemleriyle sıklıkla gizlenen bir dizi aktiviteye sahip olduÄŸunu öne sürer. Bu nedenle, enzimlerin tam iÅŸlevsel potansiyeli, mevcut açıklamalarda önemli ölçüde yeterince takdir edilmemiÅŸ olabilir.”

Plastik geri dönüşümünün geleceği için umut

Bu çalışma, özellikle mobilya, yalıtım ve arabalarda kullanılan geri dönüştürülmesi zor köpüklerden kaynaklanan, büyüyen plastik atık sorununu çözmeye yönelik gelecekteki plastik geri dönüşüm çabaları için umut verici yeni bir potansiyel ortaya koyuyor. Bu aynı zamanda yapay zekanın şu anda karşı karşıya olduğumuz bazı çevresel zorlukları hafifletme potansiyelini de ortaya koyuyor.

Yine de yazarlar, enzim performansını optimize etmek ve geri dönüştürülmüş monomerlerin yeniden polimerizasyonunu sağlamak için daha fazla protein mühendisliğine ihtiyaç duyulduğunu ve GRASE gibi araçların sürekli kullanımının, daha önce yeterince kullanılmayan enzimlerin ek kullanımlarını ortaya çıkarabileceğini belirtiyorlar.