باکتری‌های پلاستیک‌خوار: مهندسی ژنتیک و اثرات زیست‌محیطی

باکتری‌های پلاستیک‌خوار روزی می‌توانند به حل مشکل ۱۴ میلیون تن پلاستیکی که هر سال به اقیانوس‌ها ریخته می‌شود، کمک کنند.

آلودگی پلاستیکی تأثیرات شدیدی روی اکوسیستم‌های دریایی دارد و می‌تواند بر سلامت انسان نیز اثر بگذارد. به‌گفته‌ی اتحادیه بین‌المللی حفاظت از طبیعت (IUCN)، وقتی پلاستیک وارد اقیانوس می‌شود، می‌تواند حیوانات را گیر بیندازد و خفه کند. میکروپلاستیک‌ها همچنین توسط بسیاری از گونه‌های دریایی خورده می‌شوند که هم توسط گونه‌های دیگر شکار می‌شوند و هم ما آن‌ها را به‌عنوان غذا صید می‌کنیم.

روی خشکی، بیشتر پلاستیک‌ها درنهایت در محل دفن زباله‌ها انباشته می‌شوند یا در کوره‌های زباله‌سوز سوزانده می‌شوند. درنتیجه‌ی سوزاندن زباله‌ها، گازهای سمی آزاد می‌شود. به‌گزارش بی‌بی‌سی، فقط ۱۶ درصد از پلاستیکی که تولید می‌شود، به‌منظور تولید پلاستیک جدید بازیافت می‌شود.

اگرچه در سال ۲۰۱۶، دانشمندان ژاپنی به کشف قابل‌توجهی دست پیدا کردند که می‌تواند به حل مشکل پلاستیک جهان کمک کند. این دانشمندان، بطری‌های پلاستیکی را از اطراف مرکز بازیافت جمع‌آوری کردند و متوجه شدند گونه‌ای از باکتری‌ها درحال خوردن آن‌ها هستند.

باکتری‌ها به‌طور معمول زمان خود را صرف جذب مواد آلی مرده می‌کنند، اما باکتری ایدیونلا ساکینسیس (Ideonella sakaiensis) توانایی هضم نوعی پلاستیک به نام پلی‌اتیلن ترفتالات یا پِت (PET) را پیدا کرده است.

نمایش سه‌بعدی از پتاز که زنجیره‌های مولکول‌های پلاستیک را می‌شکند.

دانشمندان پس از تجزیه‌و‌تحلیل باکتری ایدیونلا ساکینسیس دریافتند که دو آنزیم گوارشی به نام پتاز (PETase) تولید می‌کند. هنگامی که این آنزیم‌ها با پلاستیک پت در تعامل قرار می‌گیرند، زنجیره‌های مولکولی بلند را به زنجیره‌های کوتاه‌تری (مونومر) به نام ترفتالیک و اتیلن گلیکول می‌شکنند. این مونومرها سپس بیشتر تجزیه می‌شوند و انرژی موردنیاز رشد باکتری را آزاد می‌کنند.

پس از کشف باکتری‌های پلاستیک‌خوار، بسیاری از دانشمندان متخصص ژنتیک روی باکتری Ideonella sakaiensis کار کرده‌اند تا کارآیی آن را افزایش دهند. هدف یکی از چنین سرمایه‌گذاری‌های تحقیقاتی، مهندسی ژنتیک باکتری‌های کارآمد در تولید آنزیم‌ها مانند ای‌کولای و تبدیل آن‌ها به کارخانه‌های تولید پتاز است.

اگرچه کشف باکتری‌های پلاستیک‌خوار امیدی در راستای مبارزه با پلاستیک‌ها است، دانشمندان هشدار می‌دهند هنوز با استفاده تجاری از چنین باکتری‌هایی فاصله زیادی داریم. علاوه‌بر‌این، پتاز فقط پلاستیک پت را تجزیه می‌کند و شش نوع پلاستیک دیگر وجود دارد که هنوز نمی‌توانیم آن‌ها را با استفاده از آنزیم‌ها تجزیه کنیم.

پژوهشگران دانشگاه پورتسموث پتاز را دوباره مهندسی کردند تا ترکیب آنزیمی را ایجاد کنند که به‌گفته‌ی آن‌ها، می‌تواند شش بار سریع‌تر از حد معمول پلاستیک را هضم کند. به‌ گزارش مجله PNAS، دانشمندان پتاز را با آنزیم هضم‌کننده پلاستیک دیگری به نام MHETase ترکیب می‌کنند تا ترکیب آنزیمی قوی‌ای را تولید کنند که آن را ابَرآنزیم می‌نامند.

به‌ گزارش دانشگاه پورتسموث، آنزیم ترکیبی مذکور با استفاده از سنکروترون تولید شد. سنکروترون نوعی شتاب‌دهنده ذرات است که از اشعه ایکسی استفاده می‌کند که ۱۰ میلیارد بار روشن‌تر از خورشید است. این امر پژوهشگران را قادر ساخت تا اتم‌های هر آنزیم را به‌طور انفرادی ببینند و نقشه‌های مولکولی آن را ترسیم کنند. دانشمندان سپس با کنار هم قرار دادن قطعات DNA، ابرآنزیمی را ساختند که می‌توانست پلی‌اتیلن فورانات (PEF)، نوعی پلاستیک زیستی مبتنی‌ بر قند را نیز تجزیه کند.

دانشمندان ابرآنزیم خود را ازطریق کنار هم گذاشتن آنزیم‌های MHETase و PETase باکتری‌های پلاستیک‌خوار تولید کردند.

پژوهشگران در دانشگاه ادینبورگ از باکتری ای‌کولای برای تبدیل پلاستیک به وانیلین، جزء اصلی عصاره دانه وانیل استفاده کرده‌اند. با توجه به اینکه تقاضای جهانی برای وانیلین در سال ۲۰۱۸ از ۴۰ هزار تن فراتر رفت و ۸۵ درصد از آن از مواد شیمیایی حاصل از سوخت‌های فسیلی حاصل می‌شود، استفاده از پلاستیک می‌تواند جایگزین سازگار با محیط زیستی باشد.

پژوهشگران پس از تجزیه پلاستیک پت به مونومرهای ابتدایی، فرایند را قدمی جلوتر بردند و یکی از مونومرها یعنی ترفتالیک اسید را طی مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی به وانیلین تبدیل کردند. تصور می‌شود وانیلین حاصل برای مصرف انسان مناسب است، اگرچه برای تأیید این موضوع به پژوهش‌های بیشتری نیاز است.