Nature: この100年来の問題は「それ」によって48時間で完璧に解決された

1907 年、ベルギー系アメリカ人の化学者レオ・ベークランドは、安価で不燃性の汎用プラスチック (ベークライト) を発明しました。この発明は現代のプラスチック産業の始まりを示し、ベークランドは後世の人々から「プラスチックの父」として称賛されました。

しかし、かつては20世紀の偉大な発明の一つとして知られていたプラスチックは、今では最も失敗した発明の一つと考えられています。二酸化炭素はどこにでもあり、人間の生活に大きな利便性をもたらす一方で、私たちの故郷である地球を深刻に汚染しています。

さらに恐ろしいのは、この強くて耐久性のある素材が分解されるまでに何百年もかかることが多いことです。

問題は、次のように、数百年の劣化時間を数日、あるいは数時間に短縮できるかどうかです。

それでは、「白い汚染」の問題は簡単に解決できるのでしょうか？

現在、テキサス大学オースティン校とDEVCOM ARL-Southの研究チームが、世界で最も差し迫った問題の一つである「白色汚染」を解決するための新たなアイデアを提示した。

研究チームは人工知能技術の助けを借りて新しい酵素を発明した。この酵素は、PET プラスチック (飲料ボトル、フィルム、包装材などの製造に一般的に使用されるプラスチックの一種) の大規模なリサイクルを促進する可能性があります。プラスチックを分子レベルでリサイクルし再利用することで、不必要な環境汚染を大幅に削減できます。

「PET脱重合のための加水分解酵素の機械学習支援エンジニアリング」と題された関連研究論文が、権威ある科学雑誌「ネイチャー」に4月28日に掲載された。

（出典：ネイチャー）

人工知能によって作られた生体酵素

プラスチックは私たちの日常生活のあらゆる場面で使用されており、なくてはならない必需品となっています。しかし、適切に管理されていないプラスチック廃棄物は、陸上と海洋の生態環境を汚染することになります。

理論的には、この問題はプラスチックのリサイクルによって回避できますが、多くのプラスチックのリサイクルは単純な機械的リサイクルではなく、溶解と再処理を伴います。このプロセスは非常に複雑で、生産される新しいプラスチックの品質は元のプラスチックほど良くありません。

PET プラスチックは日常生活において比較的一般的で安全なプラスチックであり、世界のプラスチック廃棄物の 12% を占めています。さまざまな合成繊維の生産、食品容器、熱成形の用途でよく使用されます。

PET プラスチックは分子レベルでモノマーに分解することでリサイクルできますが、標準的な化学的な解重合プロセスは大量のエネルギーを消費し、大量の塩基と酸を必要とするため、経済的にも環境的にも実行可能ではありません。

もう一つの潜在的な解決策は酵素の使用です。過去15年間で、プラスチックリサイクル酵素の研究は大きく進歩しましたが、これまでのところ、低温で効率的に機能し、大規模な工業生産に使用できない酵素は科学者によって発見されておらず、このリサイクル戦略の発展を妨げています。

この研究では、研究者らは機械学習モデルを使用して、新しい酵素のどの変異が廃棄プラスチックを低温で急速に分解できるようにするかを予測した。研究者らは、51個のプラスチック容器、5種類のポリエステル繊維と布地、そしてPETプラスチック製のすべてのウォーターボトルで酵素をテストし、その有効性を実証した。

図 |機械学習手法による酵素性能の向上（出典：本論文）

この酵素は、50℃以下の温度でプラスチックをより小さなモノマーに分解し、その後化学的に再重合させることで、PETプラスチックの閉ループリサイクルを可能にします。場合によっては、PET プラスチックは 24 時間以内に完全に分解されることもあります。

研究チームは、この酵素の潜在的な用途には、埋立地の清掃や環境修復などが含まれると述べた。今後の研究では、大規模な工業生産に使用するために酵素の生産規模を拡大する予定です。

あなたはプラスチックについてどれくらい知っていますか？

プラスチックとは、高分子合成樹脂・石油を主成分とし、可塑剤、安定剤、酸化防止剤、難燃剤、潤滑剤、着色剤等の添加剤を適宜加えて加工・成形した可塑性（柔軟）材料、または硬化・架橋反応により形成された硬質材料を指します。

プラスチック廃棄物は自然に分解されにくい。海に流入すると、海洋生物の誤飲、窒息、中毒などを引き起こし、海洋生態系に影響を与えます。プラスチック廃棄物の焼却も大気汚染の原因になります。ポリ塩化ビニル（PVC）やポリカーボネートなどのプラスチックは、特定の条件下では有害物質や内分泌かく乱物質を放出し、生物の生殖機能を危険にさらします。

では、プラスチックにはどんな種類があるのでしょうか?それぞれの用途は何ですか? Academic Jun は、読者の参考のために、一般的なプラスチックと特殊なプラスチックをいくつかまとめています。

1. 一般的なプラスチックの種類と用途

ポリエチレンテレフタレート（PET）：飲料ボトル、フィルム、包装。

ポリプロピレン（PP）：食品包装、家電製品、自動車部品（バンパーなど）。

ポリスチレン（PS）：包装材、食品包装、使い捨てカップ、皿、カトラリー、CD および DVD フォルダー。

高衝撃性ポリスチレン（HIPS）：包装材、使い捨てカップ。

ABS 樹脂/アクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS): 電子機器 (モニター、プリンター、キーボードなど) を覆います。

ポリエステル（PES）：繊維、織物。

ポリアミド（PA）：繊維製造、ゴルフボール、釣り糸、自動車用コーティング。

ポリ塩化ビニル（PVC）：パイプ製造、シャワーカーテン、窓枠、床材。

ポリウレタン (PU): 発泡断熱材、防火材、消火泡。

ポリカーボネート (PC): CD、サングラス、保護シールド、安全メガネ、表示灯、レンズ。

ポリ塩化ビニリデン（PVDC）：包装材（食品、医薬品など）。

ポリエチレン（PE）：フィルム、包装袋（一般的なビニール袋）、充填ボトル（シャワージェル、洗剤など）、水道管。

ポリカーボネート/ABS樹脂（PC/ABS）：PCとABSプラスチックの融合で強度が高く、自動車の内装・外装アクセサリーや携帯電話の筐体に使用されています。

2. その他の種類のプラスチックとその用途

ポリメチルメタクリレート（PMMA）：コンタクトレンズ、ガラス（プレキシガラスなど）。

ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）：耐熱性、低摩擦コーティング：ノンスティックフライパンのノンスティックコーティング、配管工のシーリングテープ、遊園地のウォータースライダーなど。

ポリエーテルエーテルケトン (PEEK): 化学的、熱的に耐性があり、生体適合性が高い熱可塑性プラスチックで、医療用インプラントや航空宇宙製品に使用されます。

ポリエーテルイミド (PEI): 高温に耐え、化学的に安定しており、結晶化しないポリマー。

フェノール樹脂 (PF): 一般にベークライトとして知られ、高弾性率、比較的耐熱性、耐火性に優れたポリマーです。電気機器の絶縁部品、紙ラミネート、断熱フォーム材などに使用されます。

尿素ホルムアルデヒド（UF）：食器、装飾品、電気部品、配電設備、電話受話器、自動車部品、合板、接着剤、コーティング剤、ボタン、容器、麻雀牌、時計の文字盤、箸、ボタン、ボトルキャップなど。

メラミンホルムアルデヒド（MF）：ガラス、食器、装飾品、電気アクセサリーおよびハウジング、配電盤、機械部品、自動車部品、感光板、コーティング、接着剤、容器、紙、布などの樹脂加工。

ポリ乳酸（PLA）：微生物によって分解され、トウモロコシのデンプンから変換できるポリマー。現在、水選別卵用の透明箱が市販されています。

プラスチックは人類の生活に欠かせない必需品となっているが、白色汚染の問題を解決し、人類が生存のために依存している陸地と海洋を保護するためには、人類は環境意識をさらに強化するだけでなく、科学技術の力を活用してプラスチック廃棄物をより環境に優しい方法で処理し、より多くの環境に優しいプラスチックの代替品を生み出す必要がある。

参考リンク:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04599

https://www.nature.com/articles/d41586-022-01075-6

https://news.utexas.edu/2022/04/27/last-eating-enzyme-could-eliminate-billions-of-tons-of-landfill-waste/

https://en.wikipedia.org/wiki/プラスチック

https://en.wikipedia.org/wiki/プラスチック汚染

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