Пир для микроорганизмов: как ИИ помогает в создании расщепляющих пластик ферментов
В лаборатории, расположенной на территории старого оружейного завода в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, специальное приспособление нагревает пластиковые отходы до 280 °C и создает из них липкие нити, которые начинают затвердевать при контакте с воздухом. Полученная субстанция будет затем измельчена на кусочки для получения большей площади поверхности и станет «пищей» для фермента, созданного стартапом Protein Evolution с помощью ИИ. Цель компании — использовать ИИ для создания новых ферментов, способных расщеплять разный пластик и текстиль на его основе.
«А потом мы скормим его акулам», — шутит главный технолог Джей Конечка, стоя в белом лабораторном халате рядом с реактором, заполненным ферментами и водой, которые расщепляют пластик до основных компонентов. Полученный в результате процесса материал, который компания называет Biopure, должен быть неотличим от полиэстера, произведенного из нефти, и также может быть использован при создании тканей. Protein Evolution надеется, что ее фермент позволит полностью перерабатывать старую одежду, постельное белье и другие текстильные изделия.
Пластик является серьезной проблемой: ежегодно производится около 460 млн т пластика, количество которого только увеличивается по мере роста потребления. По данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), только 9% пластика в мире проходит переработку. Остальное попадает на свалки или сжигается — и именно с этой проблемой, по словам соучредителя Protein Evolution Джонатана Ротберга, он хочет бороться. «Мы не должны забывать о 91% пластика, которые люди не перерабатывают. Мы должны сосредоточиться на тех вещах, в которых есть примесь пластика, а не на идеально чистых пластиковых бутылках», — говорит Ротберг, изобретатель и предприниматель, наиболее известный тем, что изобрел и коммерциализировал высокоскоростное секвенирование ДНК.
В этом 91% ученых видят потенциал для так называемой биопереработки: использования ферментов, которые быстро расщепляют пластик, не создавая микропластика и не разрушая материал в процессе. Тем не менее количество возможных ферментов, расщепляющих пластик, превышает количество атомов во Вселенной, что не позволяло исследователям добиться значительных успехов в этой сфере.
Однако развитие ИИ полностью изменило ситуацию. «За последние пять лет мир ферментной инженерии заиграл новыми красками благодаря искусственному интеллекту», — говорит Конечка. Собственная ИИ-модель Protein Evolution включает в себя общедоступные данные о десятках тысяч белков, которые помогают ей создавать тысячи аминокислотных последовательностей, представляющих собой новые ферменты. Затем Protein Evolution использует алгоритмы, включая ИИ-систему AlphaFold, разработанную Google DeepMind, которая предсказывает структуру белка по его аминокислотной последовательности и тестирует наиболее перспективные образцы в лабораторных реакторах.
По словам Конечки, в самом начале пути, когда исследователи Protein Evolution начали тестировать ИИ, большинство новых ферментов, предложенных ИИ-моделью, ни на что не годились. Однако по мере того, как команда добавляла новые данные, указывая какие варианты работали лучше других, ИИ-модель научилась создавать лучшие виды ферментов, расщепляющих пластик.
Конечка считает, что он сможет и дальше совершенствовать структуру ферментов для ускорения процесса работы и возможности использовать их при более низких температурах для повышения эффективности всего процесса и снижения его стоимости. «Мы с самого начала ориентировались на стоимость», — говорит Коннор Линн, второй соучредитель компании Protein Evolution.
Компания уже получила венчурное финансирование в размере $25 млн и планирует привлечь еще столько же в этом году. Трехлетний стартап также готовится в 2025 году начать строительство экспериментального завода, который сможет производить 300 т переработанного пластика в год. После этого компания надеется построить в 2028 году коммерческий завод, увеличив производство до 50 000 т в год.
Protein Evolution не единственная компания, пытающаяся преуспеть в сфере биопереработки. Французская компания Carbios, которая торгуется на бирже с рыночной капитализацией около $400 млн, на прошлой неделе начала строительство завода по биопереработке ПЭТ (полиэтилентерефталат, вид пластика. — Forbes), способного производить 50 000 т переработанного материала, вблизи бельгийской границы. Также компания Breaking, которая использует микроорганизм X-32, поедающий пластик, недавно выделилась из Colossal Biosciences — стартапа, соучредителями которого являются генетик из Гарварда Джордж Черч и предприниматель Бен Ламм, наиболее известный попытками воскресить шерстистого мамонта. «Мы считаем, что это проблема затрагивает само наше выживание. Над ее решением должны работать 1000 компаний», — говорит Ламм.
Все биоперерабатывающие компании только начинают свой путь, и расширение производства может быть сопряжено для них с определенными рисками. На сегодня Protein Evolution получает лишь небольшой доход от сделок с несколькими потребительскими брендами, включая британского дизайнера Стеллу Маккартни. Чтобы выйти на коммерческий уровень, Protein Evolution необходимо построить завод с мощностью производства в размере 50 000 т в год, включиться в цепочку поставок пластиковых отходов, чтобы приобрести достаточное количество материала для переработки, и сохранить достаточно низкую себестоимость, сохранив заинтересованность брендов в покупке произведенного ими полиэстера.
«Ничто не указывает на то, что мы не можем использовать ферменты в переработке и расширить производство в дальнейшем. Ферменты применяются во многих других промышленных процессах. Единственным нюансом для меня является стоимость», — объясняет Ричард Велеховски, старший инвестиционный аналитик в области текстиля компании Planet Tracker. Действительно, в настоящее время ферменты также используются в процессе очистки сточных вод и производстве лекарств.
Линн ожидает, что в 2025-м годовая выручка экспериментального завода достигнет первых миллионов, а коммерческий объект вскоре после открытия достигнет выручки в размере $100 млн. «Невозможно решить проблемы изменения климата, не разобравшись с пластиковыми отходами», — считает он.
Джонатан Ротберг, 61-летний соучредитель Protein Evolution, проводит свои дни на 55-метровой яхте, стоящей на якоре у побережья Майами. Его судно является полноценной лабораторией с амплификаторами (ПЦР-машинами), 3D-принтерами и другим оборудованием. Ротберг, получивший национальную медаль США в области технологий и инноваций за работу над секвенированием ДНК, основал множество компаний, включая Detect, которая разработала домашние ПЦР-тесты на COVID-19 на ранних стадиях пандемии. Butterfly Network, еще одна из компаний Ротберга, не так давно представила портативные ультразвуковые аппараты.
Ротберг продал свою предыдущую компанию RainDance Technologies, которая также занималась разработкой ферментных технологий, компании Bio-Rad Laboratories за $73 млн. Вслед за тем он и 25-летний Линн, который ранее работал с ним над стратегией и финансами в других его стартапах, начали изучать, в каком направлении им следует двигаться дальше для развития применений ферментов. «Мы держались за идею с ферментами, но у нас не было проекта, который мог бы поразить всех», — говорит Линн.
Факт того, что ферменты могут разлагать пластик, был доказан много лет назад. В 2016 году японская исследовательская группа опубликовала работу, в которой показала, что класс ферментов (ПЭТазы) способен разлагать пластиковые бутылки. Однако в природе не существует фермента, который бы специализировался именно на работе с пластиком. Однако если удастся разработать специальный фермент, он идеально подойдет для борьбы с пластиком, который в ином случае может разлагаться на свалке сотни лет, превращаясь в микропластик.
Ротберг понял, что именно пластик может стать идеальным объектом для разработки новых ферментов при помощи ИИ, после знакомства с Людвиком Лейблером, физиком Высшей школы промышленной физики и химии города Парижа (ESPCI ParisTech), который уже несколько десятилетий изучает свойства пластмасс. Команда ESPCI работала над созданием ферментов, которые могли бы расщеплять полимеры на составляющие их компоненты, известные как мономеры, для последующей переработки.
«Людвик сказал мне: послушай, задача не только в том, чтобы создать фермент, поедающий пластик. Сама структура пластика не позволяет ему расщепиться. Она не имеет строения, которое подпустило бы ферменты достаточно близко. Как бы вы ни старались создать идеальный фермент, он никогда не сможет «укусить» пластик достаточно сильно. Для начала нужно «открыть» структуру пластика, а потом уже применять ферментную технологию», — вспоминает Ротберг.
В октябре 2021 года Ротберг и Линн основали компанию Protein Evolution, которая специализировалась на переработке пластиковых отходов. На сегодняшний день у компании, как и у других стартапов Ротберга на ранних стадиях, отсутствует гендиректор. Затем исследователи компании начали разрабатывать ферменты, используя ИИ для быстрой сортировки бесконечного количества потенциальных вариантов.
«Биоинженерия в сочетании с ИИ позволила им развиваться достаточно быстро, — говорит Софи Бакалар, инвестор фонда Collaborative Fund, который изучил множество компаний, занимающихся переработкой пластиковых отходов, прежде чем инвестировать в Protein Evolution. — ИИ — одна из самых популярных тем на сегодня. Однако они действительно работали над использованием ИИ-модели с самого начала. Это не просто компания, которая хочет нажиться на шумихе вокруг этой темы».
Для демонстрации своих результатов биопереработки Protein Evolution объединилась с дизайнером Стеллой Маккартни и отправила ей переработанные материалы, сделанные из самых грубых пластиковых отходов — тяжелых промышленных ремней, используемых для крепления грузовых контейнеров. В декабре прошлого года на 28-й конференция ООН по изменению климата (COP28) в Дубае Маккартни продемонстрировала пышный жакет, изготовленный из этих материалов, — первый предмет одежды, когда-либо созданной с использованием биопереработки.
Представленный жакет был создан только в рамках показа, однако Маккартни, давняя сторонница экологичной моды, поделилась с Forbes USA, что надеется использовать материалы компании в своих дальнейших коллекциях. «Такие компании, как Protein Evolution, — это будущее моды, в котором мы сможем перерабатывать отходы и создавать эксклюзивные изделия без использования новых материалов», — прокомментировала Маккартни в своем электронном письме Forbes USA.
Будучи также специальным советником по вопросам экологичного развития гиганта индустрии моды LVMH, Маккартни заявила, что продвигает материалы, полученные в результате переработки, в LVMH, общаясь с председателем и гендиректором компании и богатейшим человеком мира Бернаром Арно. «Я надеюсь, что они продолжат следовать нашему примеру в области экологичного развития в индустрии моды», — написала она.
По словам Линна, Protein Evolution заключила контракты еще с пятью модными брендами, однако он отказался назвать их, сославшись на соглашение о неразглашении. Теперь компания следует интенсивному графику последующей коммерциализации. Линн надеется получить поддержку от государства для строительства нового предприятия, а также считает, что государственные нормативные акты, такие как запрет штата Массачусетс на отправку текстиля на свалки, дадут толчок, увеличив спрос на переработанный пластик. Линн уверен, что компания сможет производить переработанный полиэстер по цене, практически эквивалентной цене нового материала на нефтяной основе.
«Для достижения успеха нужно, чтобы новый продукт не отличался по цене от заменяемого изделия, — говорит Ротберг. — Процессы, над разработкой которых работает команда сегодня, конкурентоспособны с первичными пластиковыми продуктами. Их конкурентоспособность только вырастет, если повсюду будут продолжаться войны и цены на нефть продолжат расти. Я считаю, когда цены на нефть достигнут отметки в $80 и выше за баррель (как на сегодня), мы не просто сравняемся на рынке — мы будем лучше».
Тиффани Хуа, аналитик Lux Research, специализирующаяся на вопросах текстиля и его переработки, говорит, что ферментативная переработка сулит большие перспективы, однако эта инновация все еще находится на ранней стадии, и возникнет гораздо больше вопросов к Protein Evolution по мере строительства заводов. «Я бы назвала это инновацией, которая только-только делает свои первые шаги, — считает она. — Промышленные процессы требуют тонкого подхода, а с процессом биопереработки дела обстоят еще сложнее».
В долгосрочной перспективе Линн надеется выйти за рамки высокой моды и заняться переработкой синтетических материалов, помимо полиэстера, таких как нейлон или, возможно, даже тканей, покрытых «вечными химикатами» (пер- и полифторалкилсоединения или PFAS (ПФАС), известные самыми мощными в химии связями углерод-фтор (C-F). — Forbes). «Полиэстер повсюду, — говорит Линн. — Нас интересует недорогая одежда, альтернативное использование полиэстера и ковровых покрытий, а также упаковочные материалы».
В перспективе Protein Evolution надеется достигнуть более серьезной цели — использовать ферменты для разработки нового типа пластика, который будет разлагаться самостоятельно. Создание подобного пластика — «Святой Грааль» для защитников окружающей среды.
«Если разложить ПЭТ на фундаментальные составляющие, можно ли его вернуть в исходное состояние? Безусловно. Можно ли преобразовать его в другие продукты с новыми свойствами и областями применения? Конечно, — считает Пол Анастас, профессор экологической химии Йельского университета и бывший высокопоставленный сотрудник Агентства по охране окружающей среды США (EPA), который также является научным консультантом компании. — Речь идет не просто о том, чтобы разобрать пластик на части и вернуть обратно в исходное состояние. Речь идет о том, чтобы потенциально использовать вредные пластиковые отходы для создания чего-то хорошего».
Перевод Ксении Лычагиной