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數(shù)量級的活性，使得在8小時內(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。這項工作強調(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關(guān)鍵障礙。

生物催化聚酯回收的進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(xiàn)對酶底物特異性與反應(yīng)偏好性的精細推斷。利用GRASE工具，從宏基因組數(shù)據(jù)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(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。這一成果首次實現(xiàn)了在工業(yè)條件下聚氨酯的規(guī)模化生物解聚，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