PET分解酵素、表面と反応液の改良で分解速度10倍に

キングス・カレッジ・ロンドンと米ラトガース大学の研究チームは、飲料ボトルなどに使われるプラスチック、ポリエチレンテレフタレート（PET）を、10分の1の酵素量で10倍速く分解する手法を開発しました。改良した酵素は少なくとも7日間、一定の分解速度を保ち、使用済み飲料ボトルの破片も、分解しやすくするための加熱などの前処理なしで分解できました。

酵素の表面と反応液を組み合わせて改良

酵素は、化学反応を速める働きを持つタンパク質です。研究チームは、PETを分解できる天然の酵素「クチナーゼ」の表面を化学的に変え、分解時の熱や化学的な条件から保護する処理を施しました。さらに、反応液には、特別に選んだイオン液体を組み合わせています。

この組み合わせでは、分解しにくいPETに対しても、少なくとも7日間にわたって安定した反応が続きました。一方、水中で働かせた未改良の酵素は、最初の1日を過ぎると活性が大きく低下し始めました。

研究チームは、PETを構成する主要な化学成分の一つを、純粋な粉末として回収することにも成功しています。研究成果は、持続可能な化学や工学を扱う学術誌「ACS Sustainable Chemistry & Engineering」に掲載されました。

溶かして成形する方法と、原料に戻す方法の違い

PETは飲料ボトル、食品包装、衣類などに使われています。広く行われているリサイクルは、PETを溶かして形を作り直す方法ですが、繰り返し処理すると品質に影響が生じることがあり、すべての廃棄PETに適用できるわけではありません。

酵素を使う方法は、PETの分子をつなぐ結合を切り、原料となる小さな分子へ戻します。具体的には、水を使って結合を切る加水分解によって、テレフタル酸とエチレングリコールというPETの原料を得ます。

工程にも違いがあります。機械的リサイクルでは、使用済みプラスチックの選別、破砕、洗浄、押し出し成形を行います。酵素で原料に戻す方式では、分解後の原料から再び分子をつなぐ重合工程を経て、プラスチックに作り直す仕組みです。

Uekert氏らによる2023年のモデル比較では、酵素による加水分解は、溶剤に溶かして精製する方法やメタノールで分解する方法とともに、再生材の品質が高い方式に位置づけられました。一方、経済性と環境面では、機械的リサイクルと、エチレングリコールを用いてPETを分解する方式が優れた結果になりました。

分解のしやすさを左右するPETの結晶化度

今回の手法で前処理なしのボトル片を分解できたことは、従来の酵素処理で課題となってきたPETの構造とも関係します。PETには分子が規則的に並ぶ結晶部分と、規則性の低い非晶部分があり、酵素は主に非晶部分を分解しやすい性質があります。このため、従来の酵素処理では、結晶部分を減らして非晶状態にする前処理が用いられてきました。

2022年のクチナーゼ改変体「LCC-ICCG」を使った実験では、結晶化度の高いPETを細かくすると最大反応速度は上がりましたが、最終的な変換率への影響は小さい結果でした。低結晶化度のPETフィルムは48時間で質量が99±0.2％減少した一方、高結晶化度のPET粉末の変換率は144時間で23.5±0.0％にとどまりました。

また、反応中の温度もPETの構造に影響します。2023年の別のLCC改変体の研究では、70℃以上では非晶PETが、酵素で分解しにくい結晶性の高い状態に変わりやすくなるとされ、試験した改変体の最高の変換収率は55℃で得られました。

今回の研究チームは、酵素の活性を長く維持することで必要な酵素量を減らし、反応液を回収・再利用することで材料費を抑えられる可能性があるとしています。また、回収した化学成分を新しいプラスチックの製造に使えれば、化石資源由来の新規原料の使用削減につながると見込んでいます。