میکروب‌های شکمبه گاو برخی پلاستیک‌ها را تجزیه می‌کنند
دانشمندان میکروب‌های تجزیه‌کننده پلاستیک را در مایعی کشف کرده‌اند که از شکمبه یعنی بزرگ‌ترین قسمت معده نشخوارکنندگان استخراج شده بود. نشخوارکنندگان شامل حیوانات سم‌داری مانند گاو و گوسفند هستند که برای تجزیه رژیم غذایی خود که از گیاهان سخت‌چوب تشکیل شده است، به میکروارگانیسم‌ها متکی هستند. شکمبه مانند گرمخانه‌ای برای این میکروب‌ها عمل می‌کند که در آن غذاهایی مصرفی گاو یا نشخوارکنندگان دیگر را هضم یا تخمیر می‌کنند.
پژوهشگران بر این گمان بودند که برخی از میکروب‌هایی که در شکمبه گاو پنهان هستند، باید قدرت هضم پلی‌استرها را داشته باشند. پلی‌استرها موادی هستند که مولکول‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن‌ها به‌وسیله‌ی گروه‌های استر به هم متصل است. علت آن است که گاوها به خاطر رژیم غذایی گیاه‌خواری نوعی پلی‌استر طبیعی گیاهی به نام کوتین را مصرف می‌کنند. نوعی پلی‌استر مصنوعی به نام پلی‌اتیلن ترفتالات یا PET ساختار شیمیایی مشابه با این ماده طبیعی دارد.
دوریس ریبیچ، دانشمند دانشگاه منابع طبیعی و علوم کشاورزی وین و نویسنده مسئول مقاله گفت کوتین بیشتر کوتیکول یا لایه خارجی مومی دیواره‌ها سلولی گیاهی را تشکیل می‌دهد و آن را به فراوانی در مواردی مانند پوسته‌ی گوجه فرنگی و سیب می‌توان یافت. ریبیچ به لایو ساینس گفت: «وقتی قارچ‌ها یا باکتری‌ها می‌خواهند به چنین میوه‌هایی نفوذ کنند، آنزیم‌هایی تولید می‌کنند که قادر به تجزیه‌ی کوتین یا شکستن پیوندهای شیمیایی درون این ماده هستند».
گروهی از آنزیمها به نام کوتینازها می‌توانند کوتین را هیدرولیز کنند، یعنی واکنش شیمیایی را آغاز می‌کنند که در آن مولکول‌های آب، ماده‌ی موردنظر را می‌شکند.
به گزارش ساینس الرت، ریبیچ و همکارانش در گذشته چنین آنزیم‌هایی را از میکروب‌ها جدا کرده و متوجه شده‌اند که گاو ها ممکن است منبعی از میکروب‌های مشابهی باشند که پلی‌استر را هضم می‌کنند. وی گفت: «این حیوانات مواد گیاهی زیادی را مصرف و تجزیه می‌کنند، بنابراین احتمال دارد بتوانید چنین میکروب‌هایی را درون معده‌ی گاو پیدا کنید».
پژهشگران در مطالعه‌ی جدید خود که روز جمعه (دوم جولای) در مجله‌ی Frontiers in Bioengineering and Biotechnology منتشر شد، گزارش کردند که میکروب‌های موجود در شکمبه گاو نه‌تنها می‌توانند PET را تجزیه کنند بلکه قادر به شکستن دو نوع پلاستیک دیگر (پلی‌بوتیلن آدیپات ترفتالات که در کیسه‌های پلاستیکی زیست تخریب‌پذیر استفاده می‌شود و پلی‌اتیلن فورانوات (PEF) که از مواد گیاهی ساخته می‌شود)، را نیز تجزیه کنند.
پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد میکروب‌های شکمبه در هضم پلاستیک، هر نوع پلاستیک را به مدت یک تا سه روز همراه مایع شکمبه قرار دادند و سپس محصولات جانبی آزادشده توسط پلاستیک‌ها را اندازه‌گیری کردند. هدف آن‌ها این بود که مشخص کنند که میکروب‌ها تا چه حد پلاستیک‌ها را به اجزای آن خرد کرده‌اند. مایع شکمبه با بیشترین کارآیی پلاستیک نوع PEF را تجزیه کرد اما به‌طور‌کلی هر سه نوع پلاستیک را به اجزای کوچک‌تر می‌شکست. پژوهشگران سپس از DNA موجود در مایع شکمبه نمونه‌گیری کردند تا دریابند کدام نوع میکروب‌ها مسئول تجزیه پلاستیک هستند.
طبق نتایج آن‌ها، حدود ۹۸ درصد از DNA به گروه باکتری‌ها تعلق داشت و بیشتر مربوط به جنسی از باکتری به نام سودوموناس بود که قبلا نشان داده شده است که چند گونه از آن پلاستیک را تجزیه می‌کنند. باکتری‌های جنس آسینتوباکتر نیز در مقادیر بالایی در مایع شکمبه یافت شدند که چندین گونه از این جنس نیز قبلا نشان داده شده است که می‌توانند پلی‌استرهای مصنوعی را تجزیه کنند.
ریبیچ و گروهش قصد دارند باکتری‌های پلاستیک‌خوار موجود در مایع شکمبه را کاملا مشخص کنند و تعیین کنند که این باکتری‌ها از کدام آنزیمها برای شکستن پلاستیک استفاده می‌کنند. اگر آن‌ها آنزیم‌هایی را شناسایی کنند که به‌طور بالقوه برای بازیافت مفید باشد، می‌توانند میکروب‌ها را به طریق ژنتیکی مهندسی کنند که مقادیر زیادی از آن آنزیمها را تولید کنند و به جمع‌آوری مستقیم میکروب‌ها از معده گاوها نیازی نباشد. از این راه، می‌توان آنزیمها را برای استفاده در مقیاس‌های صنعتی به‌راحتی و با قیمت کم تولید کرد.
در همین راستا، ریبیچ و گروهش روش بازیافتی را ثبت اختراع کرده‌اند که در آن مواد نساجی به ترتیب درمعرض آنزیم‌های مختلفی قرار می‌گیرد. پژوهشگران این آنزیمها را در پژوهش قبلی خود شناسایی کرده‌اند. اولین گروه از آنزیمها، الیاف موجود در ماده را تخریب می‌کنند، درحالی‌که گروه بعدی از آنزیمها، پلی‌استرهای خاص را مورد حمله قرار می‌دهند. علت کارآمدی این روش آن است که هر آنزیم ساختارهای شیمیایی بسیار خاصی را مورد هدف قرار می‌دهد و این طور نیست که هر ماده‌ای را که با آن رو‌به‌رو می‌شود، بشکند. ریبیچ توضیح داد: «از این طریق، منسوجاتی را که شامل چندین ماده می‌شوند، بدون اینکه لازم باشد که ابتدا اجزای تشکیل‌دهنده‌ی آن‌ها را از هم جدا کنیم، می‌توان بازیافت کرد».
دیوید لوین، متخصص بیوتکنولوژی و زیست‌شناسی مولکولی در گروه مهندسی سیستم‌های زیستی در دانشگاه مانیتوبا که در این پژوهش مشارکتی نداشته است، گفت طبق مطالعه‌ی جدید، شکمبه گاوها ممکن است محیط دیگری باشد که در آن این نوع آنزیم‌های مفید را می‌توان کشف کرد، اما چنین آنزیم‌هایی در طبیعت فراوان هستند. برای مثال، اولین باکتری که مشخص شد می‌تواند PET را مصرف کند، ایدیونلا ساکینسیس بود. همچنین، برخی موجودات دریایی کوتینازهای را ترشح می‌کنند که می‌توانند پلاستیک را تجزیه کنند، همان‌طور که قارچ‌های مختلفی که گیاهان خشکی را آلوده می‌کنند، نیز این توانایی را دارا هستند.
لوین گفت تاکنون دانشمندان شانس این را داشته‌اند که آنزیم‌های پلاستیک‌خواری را پیدا کنند که PET و پلاستیک‌های زیست تجزیه‌پذیری مانند PBAT و PEF را تجزیه می‌کنند، اما چالش اصلی پیدا کردن آنزیم‌هایی است که بتوانند محصولات پلاستیکی مشکل‌سازتر را تجزیه کنند.
برای مثال، پلاستیک‌هایی مانند پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن عمدتا از پیوندهای قوی بین اتم‌های کربن تشکیل شده‌اند و این ساختار توانایی آنزیمها را برای چنگ زدن به مولکول‌ها و آغاز واکنش هیدرولیز محدود می‌کند. بنابراین، درحالی‌که دانشمندان قبلا آنزیم‌های تجزیه‌کننده‌ی PET را کشف، توصیف و تجاری‌سازی کرده‌اند، پژوهشگران هنوز در جستجوی میکروب‌هایی هستند که بتوانند از عهده‌ی تجزیه‌ی پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن برآیند.
لوین و آزمایشگاه او چندین کاندیدای امیدوارکننده در این زمینه را شناسایی کرده‌اند اما هنوز درحال بررسی نحوه‌ی به حداکثر رساندن توانایی پلاستیک‌خواری این میکروب‌ها هستند. گروه ریبیچ همچنین به دنبال میکروب‌هایی است که بتوانند پلی‌اتیلن را مصرف کنند و به این فکر می‌کنند که آیا ممکن است این میکروب‌ها نیز در معده‌ی گاوها وجود داشته باشند. وی گفت: «شاید بتوانیم در جوامع میکروبی بزرگی مانند مایع شکمبه، آنزیم‌هایی را پیدا کنیم که بتوانند پلی‌پروپیلن و پلی‌اتیلن را نیز تخریب کنند».