كيف تعمل البكتيريا التي تأكل البلاستيك؟ يشرح الكيميائي

اكتشف العلماء مؤخرًا سلالة من البكتيريا يمكنها بالفعل أكل البلاستيك المستخدم في صناعة الزجاجات، وقاموا بتحسينها لتسريع العملية

بقلم إميلي فليشمان، زميلة أبحاث في علم الإنزيمات، جامعة أكسفورد

الزجاجات البلاستيكية التي نرميها اليوم ستبقى على قيد الحياة لمئات السنين. وهذا هو أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل مشكلة التلوث البلاستيكي، الذي له تأثير مميت على الحياة البحرية، خطيرة للغاية.

ومع ذلك، اكتشف العلماء مؤخرًا سلالة من البكتيريا يمكنها بالفعل أكل البلاستيك المستخدم في صناعة الزجاجات، وقاموا بتحسينها لتسريع العملية. صحيح أن التأثيرات لا تزال متواضعة - فهي ليست حلاً كاملاً للتلوث البلاستيكي - لكن الاكتشاف يوضح كيف يمكن للبكتيريا أن تساعد في إنشاء عمليات إعادة تدوير أكثر صداقة للبيئة.

البلاستيك عبارة عن بوليمرات معقدة، أي طويلة. وهي عبارة عن سلاسل متكررة من الجزيئات التي لا تذوب في الماء. إن قوة هذه الشبكات الجزيئية تجعل البلاستيك متينًا وتعني أن الأمر يستغرق وقتًا طويلاً ليتحلل بشكل طبيعي. إذا كان من الممكن تقسيمها إلى وحدات كيميائية صغيرة قابلة للذوبان، فيمكن حصاد هذه العناصر الأساسية وإعادة تدويرها لإنشاء مواد بلاستيكية جديدة في نظام مغلق.

في عام 2016، اختبر علماء من اليابان بكتيريا مختلفة في مصنع لإعادة تدوير الزجاجات، ووجدوا أن Ideonella sakaiensis 201-F6 يمكنه هضم البلاستيك المستخدم في صناعة زجاجات المشروبات ذات الاستخدام الواحد، البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET). تفرز البكتيريا إنزيمًا (نوعًا من البروتين يمكنه تحفيز التفاعلات الكيميائية) يُعرف باسم PETase. يقوم هذا الإنزيم بتقسيم روابط كيميائية معينة (إسترات) في PET، تاركًا في نهاية العملية جزيئات أصغر يمكن للبكتيريا أن تمتصها، وتحول الكربون إلى طعام.

على الرغم من أن الإنزيمات من البكتيريا الأخرى التي تعرف كيفية هضم PET ببطء كانت معروفة بالفعل، إلا أنه يبدو أن الإنزيم الجديد تم تطويره خصيصًا لهذا الغرض. قد يكون أرخص وأكثر كفاءة، وبالتالي لديه القدرة على استخدامه لإعادة التدوير البيولوجي للمواد البلاستيكية.

ونتيجة لذلك، تحاول العديد من الفرق فهم كيفية عمل PETase بالضبط من خلال دراسة بنيته. وفي الأشهر الـ 12 الماضية، نشرت مجموعات من كوريا والصين وبريطانيا العظمى والولايات المتحدة الأمريكية والبرازيل جميع أعمالها التي توضح بنية الإنزيم بدقة عالية وتحليل آلياته.

توضح هذه المستندات أن جزءًا من بروتين PETase الذي يقوم بعملية الهضم الكيميائي تم تكييفه فيزيائيًا للالتصاق بأسطح PET عند درجة حرارة 30 درجة مئوية. أظهر كلا الفريقين أيضًا أنه من خلال تغيير الخواص الكيميائية للإنزيم بمهارة، فإنه قادر على التفاعل مع أسطح PET بشكل أسرع بكثير من PETase الطبيعي.

إن استخدام الإنزيمات البكتيرية في المفاعلات البيولوجية لتكسير البلاستيك لإعادة تدويره لا يزال غير بسيط لأن الخصائص الفيزيائية للبلاستيك تجعل تفاعلات الإنزيم معه صعبة.

إن مادة PET المستخدمة في زجاجات المشروبات لها بنية شبه بلورية، مما يعني أن جزيئات البلاستيك كثيفة ويصعب على الإنزيم اختراقها. وتُظهر أحدث الأبحاث أن الإنزيم المحسن ربما كان يعمل بشكل جيد لأن جزء الجزيء المشارك في التفاعلات ضعيف جدًا. يمكن الوصول إليه، مما يجعل من السهل على الإنزيم مهاجمة جزيئات PET المدفونة.

تحسينات متواضعة

لم تكن التحسينات في نشاط PETase مثيرة، وما زلنا بعيدين عن حل أزمة البلاستيك. لكن هذا البحث يساعدنا على فهم كيف يعد هذا الإنزيم بتكسير جزيئات PET وحصلنا على تلميحات حول كيفية جعله يعمل بشكل أسرع من خلال معالجة الأجزاء النشطة من الإنزيم.

إن هندسة الإنزيمات بحيث تعمل بشكل أفضل مما تعمل في الطبيعة هو إنجاز نادر. ربما يكون السبب في ذلك هو أن البكتيريا التي تستخدم PETase تطورت مؤخرًا لتعيش على البلاستيك الذي يصنعه الإنسان. يمكن أن تمنح هذه العملية العلماء فرصة مثيرة لتجاوز التطور من خلال هندسة أشكال أكثر مثالية من PETase.

ولكن هناك قلق واحد. وفي حين أنه من المتوقع أن يتم التحكم في استخدام مثل هذه البكتيريا في المفاعلات الحيوية، فإن حقيقة قدرة البكتيريا على استهلاك البلاستيك في المقام الأول تشير إلى أن هذه المادة التي نعتمد عليها على نطاق واسع - البلاستيك، ليست متينة كما كنا نعتقد. وإذا بدأ المزيد من البكتيريا في الظهور إن تناول البلاستيك في الطبيعة والمنتجات والهياكل المصممة للبقاء على قيد الحياة لسنوات عديدة سيكون في خطر. ستواجه صناعة البلاستيك تحديًا خطيرًا يتمثل في منع تلوث منتجاتها بالكائنات الحية الدقيقة الجائعة.

تعلمنا الدروس المستفادة من المضادات الحيوية أننا نواجه صعوبة في القضاء على البكتيريا، ولكن ربما تمنحنا مثل هذه الدراسات أفضلية عليها.

للحصول على المقال الأصلي على موقع المحادثة

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• هل تستطيع اليرقات التي تأكل البلاستيك إنقاذ العالم؟
• أين يذهب البلاستيك الخاص بنا؟
• أين هو البلاستيك
• البلاستيك المجهري: خطر على الشواطئ وعلى الحياة وخاصة في البحر