熱固性聚氨酯的回收受到其交聯(lián)結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定的氨基甲酸酯鍵的阻礙。雖然化學(xué)-酶方法有希望，但已知的氨基甲酸乙酯酶在工業(yè)糖酵解條件下仍然效率低下。

2025年10月30日，北京化工大學(xué)吳邊、崔穎璐共同通訊在Science在線發(fā)表題為“Glycolysis-compatible urethanases for polyurethane recycling”的研究論文，該研究利用人工智能驅(qū)動(dòng)的微生物酶資源挖掘策略，成功發(fā)現(xiàn)了一種新型脲酶AbPURase。

在這里，研究人員提出GRASE[基于圖形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GNN)的活性和穩(wěn)定酶的推薦]，這是一個(gè)基于GNN的框架，它整合了自我監(jiān)督和監(jiān)督學(xué)習(xí)以識(shí)別有效的、糖酵解相容的氨基甲酸乙酯酶。在這些酶中，AbPURase在6摩爾二甘醇中表現(xiàn)出比先前已知的酶高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的活性，使得在8小時(shí)內(nèi)在千克規(guī)模上幾乎完全解聚商業(yè)聚氨酯。結(jié)構(gòu)分析顯示，緊密堆積的疏水核心和脯氨酸穩(wěn)定的蓋環(huán)可能賦予AbPURase在苛刻溶劑中的穩(wěn)定性和效率。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了深度學(xué)習(xí)如何加速發(fā)現(xiàn)具有工業(yè)潛力的生物催化劑，并解決聚氨酯回收中的一個(gè)關(guān)鍵障礙。

生物催化聚酯回收的進(jìn)展闡明了酶促解聚在開發(fā)替代品，尤其是可水解聚合物方面的潛力。聚氨酯是第二大類可水解塑料，2024年全球年消費(fèi)量為2200萬公噸。就溫室氣體排放而言，其生產(chǎn)過程是能源密集型的，需要331 MJ/kg的能源和12.3 kg-CO2e/kg的溫室氣體排放。聚氨酯根據(jù)多元醇鏈段分為聚酯型和聚醚型，盡管它們都含有氨基甲酸酯鍵。最近的生物降解努力集中在酯水解酶上，如角質(zhì)酶，它能裂解多元醇鏈段中的酯鍵。相比之下，占聚氨酯泡沫市場約75%的聚醚聚氨酯，由于缺乏能夠裂解氨基甲酸酯鍵的酶，仍然具有很高的生物降解抗性。

使這一挑戰(zhàn)更加復(fù)雜的是，商用聚氨酯材料主要是熱固性的，具有阻止酶滲透的廣泛交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。與聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)等熱塑性塑料不同，熱固性聚氨酯不能通過熔融擠出重新成型為無定形狀態(tài)，從而提高對(duì)酶侵蝕的敏感性。因此，需要替代的回收技術(shù)來克服熱固性材料帶來的解聚挑戰(zhàn)。

機(jī)理模式圖（圖源自Science）

該研究開發(fā)了基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的酶挖掘工具GRASE（GNN-based Recommendation of Active and Stable Enzymes）。該工具通過估計(jì)蛋白質(zhì)序列與結(jié)構(gòu)之間的似然性，預(yù)測蛋白質(zhì)穩(wěn)定性；并利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取催化口袋中氨基酸的局部微環(huán)境與整體結(jié)構(gòu)信息，通過在高維空間中計(jì)算不同催化口袋特征向量之間的余弦相似度以度量其功能相似性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)酶底物特異性與反應(yīng)偏好性的精細(xì)推斷。利用GRASE工具，從宏基因組數(shù)據(jù)中成功挖掘到多個(gè)具有氨基甲酸酯降解活性的酶，其中來源于脂環(huán)酸芽孢桿菌屬（Alicyclobacillus sp.）的AbPURase酶表現(xiàn)出全方位的優(yōu)異特性。該酶具有優(yōu)異的有機(jī)溶劑耐受性，在高濃度醇解反應(yīng)介質(zhì)中仍能保持極高催化活性與穩(wěn)定性，與工業(yè)聚氨酯醇解工藝高度兼容。這一成果首次實(shí)現(xiàn)了在工業(yè)條件下聚氨酯的規(guī)?；锝饩?，為聚氨酯塑料的綠色循環(huán)利用提供了高效、可持續(xù)的新路徑。

參考信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw4487