北京化工大学最新Science

热固性聚氨酯的回收受到其交联结构和化学稳定的氨基甲酸酯键的阻碍。虽然化学-酶方法有希望，但已知的氨基甲酸乙酯酶在工业糖酵解条件下仍然效率低下。

2025年10月30日，北京化工大学吴边、崔颖璐共同通讯在Science在线发表题为“Glycolysis-compatible urethanases for polyurethane recycling”的研究论文，该研究利用人工智能驱动的微生物酶资源挖掘策略，成功发现了一种新型脲酶AbPURase。

在这里，研究人员提出GRASE[基于图形神经网络(GNN)的活性和稳定酶的推荐]，这是一个基于GNN的框架，它整合了自我监督和监督学习以识别有效的、糖酵解相容的氨基甲酸乙酯酶。在这些酶中，AbPURase在6摩尔二甘醇中表现出比先前已知的酶高两个数量级的活性，使得在8小时内在千克规模上几乎完全解聚商业聚氨酯。结构分析显示，紧密堆积的疏水核心和脯氨酸稳定的盖环可能赋予AbPURase在苛刻溶剂中的稳定性和效率。这项工作强调了深度学习如何加速发现具有工业潜力的生物催化剂，并解决聚氨酯回收中的一个关键障碍。

生物催化聚酯回收的进展阐明了酶促解聚在开发替代品，尤其是可水解聚合物方面的潜力。聚氨酯是第二大类可水解塑料，2024年全球年消费量为2200万公吨。就温室气体排放而言，其生产过程是能源密集型的，需要331 MJ/kg的能源和12.3 kg-CO2e/kg的温室气体排放。聚氨酯根据多元醇链段分为聚酯型和聚醚型，尽管它们都含有氨基甲酸酯键。最近的生物降解努力集中在酯水解酶上，如角质酶，它能裂解多元醇链段中的酯键。相比之下，占聚氨酯泡沫市场约75%的聚醚聚氨酯，由于缺乏能够裂解氨基甲酸酯键的酶，仍然具有很高的生物降解抗性。

使这一挑战更加复杂的是，商用聚氨酯材料主要是热固性的，具有阻止酶渗透的广泛交联网络。与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等热塑性塑料不同，热固性聚氨酯不能通过熔融挤出重新成型为无定形状态，从而提高对酶侵蚀的敏感性。因此，需要替代的回收技术来克服热固性材料带来的解聚挑战。

机理模式图（图源自Science）

该研究开发了基于图神经网络的酶挖掘工具GRASE（GNN-based Recommendation of Active and Stable Enzymes）。该工具通过估计蛋白质序列与结构之间的似然性，预测蛋白质稳定性；并利用图神经网络提取催化口袋中氨基酸的局部微环境与整体结构信息，通过在高维空间中计算不同催化口袋特征向量之间的余弦相似度以度量其功能相似性，从而实现对酶底物特异性与反应偏好性的精细推断。利用GRASE工具，从宏基因组数据中成功挖掘到多个具有氨基甲酸酯降解活性的酶，其中来源于脂环酸芽孢杆菌属（Alicyclobacillus sp.）的AbPURase酶表现出全方位的优异特性。该酶具有优异的有机溶剂耐受性，在高浓度醇解反应介质中仍能保持极高催化活性与稳定性，与工业聚氨酯醇解工艺高度兼容。这一成果首次实现了在工业条件下聚氨酯的规模化生物解聚，为聚氨酯塑料的绿色循环利用提供了高效、可持续的新路径。

参考信息：

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