北京化工大學最新Science

熱固性聚氨酯的回收受到其交聯結構和化學穩定的氨基甲酸酯鍵的阻礙。雖然化學-酶方法有希望，但已知的氨基甲酸乙酯酶在工業糖酵解條件下仍然效率低下。

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

在這里，研究人員提出GRASE[基于圖形神經網絡(GNN)的活性和穩定酶的推薦]，這是一個基于GNN的框架，它整合了自我監督和監督學習以識別有效的、糖酵解相容的氨基甲酸乙酯酶。在這些酶中，AbPURase在6摩爾二甘醇中表現出比先前已知的酶高兩個數量級的活性，使得在8小時內在千克規模上幾乎完全解聚商業聚氨酯。結構分析顯示，緊密堆積的疏水核心和脯氨酸穩定的蓋環可能賦予AbPURase在苛刻溶劑中的穩定性和效率。這項工作強調了深度學習如何加速發現具有工業潛力的生物催化劑，并解決聚氨酯回收中的一個關鍵障礙。

生物催化聚酯回收的進展闡明了酶促解聚在開發替代品，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年全球年消費量為2200萬公噸。就溫室氣體排放而言，其生產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。

使這一挑戰更加復雜的是，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網絡。與聚對苯二甲酸乙二醇酯(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，從而提高對酶侵蝕的敏感性。因此，需要替代的回收技術來克服熱固性材料帶來的解聚挑戰。

機理模式圖（圖源自Science）

該研究開發了基于圖神經網絡的酶挖掘工具GRASE（GNN-based Recommendation of Active and Stable Enzymes）。該工具通過估計蛋白質序列與結構之間的似然性，預測蛋白質穩定性；并利用圖神經網絡提取催化口袋中氨基酸的局部微環境與整體結構信息，通過在高維空間中計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，從而實現對酶底物特異性與反應偏好性的精細推斷。利用GRASE工具，從宏基因組數據中成功挖掘到多個具有氨基甲酸酯降解活性的酶，其中來源于脂環酸芽孢桿菌屬（Alicyclobacillus sp.）的AbPURase酶表現出全方位的優異特性。該酶具有優異的有機溶劑耐受性，在高濃度醇解反應介質中仍能保持極高催化活性與穩定性，與工業聚氨酯醇解工藝高度兼容。這一成果首次實現了在工業條件下聚氨酯的規模化生物解聚，為聚氨酯塑料的綠色循環利用提供了高效、可持續的新路徑。

參考信息：

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