آنزیم پلاستیک خوار و امید تازه نجات کره زمین

آیا دو آنزیم پلاستیک خوار باکتریایی که به طور خاص پلاستیک PET (پلی اتیلن ترفتالات) را تخریب می‌کنند، یک راه‌حل بالقوه برای مشکل زباله عظیم کره زمین هستند؟

یکی از مسائل شگفت انگیز جهان ما این است که هیچ چیز واقعاً هدر نمی‌رود. به عنوان مثال، خود شما به عنوان شاهکار خارق‌العاده‌ی طبیعت، اتفاقاً متشکل از باقی‌مانده‌ای هستید که از یک ابرنواختر منفجر شده است. در گوشه و کنار جهان هستی، جهان در حال سازماندهی و استفاده مجدد است. درواقع جهان یک “بازیافت‌کننده بزرگ” است.

این سیاره همه چیز را بازیافت می کند؛ آب، کربن و انواع مختلف مواد مغذی. بنابراین، منطقی است که ما واقعاً در بازیافت مواد روی زمین مهارت داریم. اما ما انسان‌ها فقط بازیافت‌کننده نیستیم.

مثلا پلاستیک را در نظر بگیرید. ما رسوبات باستانی کربنی را حفر می‌کنیم تا از آن‌ها وسائل و مواد مختلف تولید کنیم؛ به نوعی بازیافت انجام می‌دهیم.! اما از دهه ۱۹۴۰، ما حجم وسیعی از موادی تولید کرده‌ایم که احتمالاً برای قرن‌ها در محیط باقی خواهند ماند. این مواد باعث از بین رفتن حیات وحش و همچنین آزادسازی موادشیمیایی سمی می‌شوند. کمتر از ۱۰ درصد آن‌ها به طور معمول بازیافت خواهند شد.

آنزیم پلاستیک خوار چه زمانی کشف شد؟

در سال ۲۰۱۶، یک تیم تحقیقاتی ژاپنی باکتری (Ideonella sakaiensis) را کشف کرد که باعث بازیافت پلاستیک در جایی می‌شود که انسان از بین می رود. پلاستیک‌های پلی اتیلن ترفتالات (PET) در همه جا وجود دارند. به ویژه در قوطی نوشابه و بطری آب. پیوندهایی که اجزای این پلاستیک را کنار هم نگه می‌دارند بسیار محکم هستند. بنابراین کشف کلنی این باکتری‌ها در ژاپن بسیار تعجب‌آور بود.

در ۱۷ آوریل ۲۰۱۸ یک گروه بین المللی از محققان در مجله “Proceedings of the National Academy of Science journal” در مورد آنزیم PETase که توسط این باکتری تولید می‌شود، گزارشی ارائه دادند. آن‌ها دریافتند که آنزیم پلاستیک خوار PETase پلیمر PET را تجزیه و هضم می‌کند. با این حال، PETase تنها بخشی از معادله است. محققان همچنین باید ساختار آنزیم دوم، MHETase را هم پیدا کنند.

اینجاست که دکتر گرت وبر (Gert Weber)، زیست شناس از گروه تحقیقاتی Protein Crystallography در دانشگاه Freie Berlin و تیمش وارد عمل می‌شوند. وبر و تیم او تشخیص دادند که MHETase نه تنها به PET متصل می‌شود بلکه باعث تجزیه آن هم می‌شود. یافته‌های آن‌ها در مجله “Nature Communications” در آوریل ۲۰۱۹ منتشر شد.

دکتر وبر توضیح داد که چگونه این اتفاق می‌افتد: “هر دو آنزیم پلاستیک خوار PETase و MHETase متعلق به یک گروه آنزیمی هستند که به آن‌ها هیدرولاز گفته می‌شود. آن‌ها پیوندهای استری پلاستیک PET می‌شکنند. به طوری که واحدهای ساختاری مورد نیاز برای سنتز مجدد پلیمر آزاد می‌شود.

آنزیم پلاستیک خوار PETase از نظر اندازه فقط نصف اندازه MHETase است. این آنزیم پلیمرPET را به قطعات كوچك‌تری به نام MHET تقسیم می‌كند. خود MHET از دو بلوك سازنده PET، اتیلن گلیكول و ترفتالیك اسید تشکیل شده است. سپس MHETase قطعه MHET را به قطعات جدیدی تقسیم می‌كند. قطعاتی که برای دور جدید سنتز پلیمر لازم هستند؛ یعنی اتیلن گلیکول و ترفتالیک اسید. “

خب این یعنی چه؟

این دو آنزیم پلاستیک خوار باکتریایی به طور خاص پلاستیک‌های PET را تخریب می‌کنند. به نظر می‌رسد که این‌ها به طور بالقوه می‌توانند راه‌حلی برای مشکل گسترده زباله‌های زمین باشند؛ نه؟

اما نه. وبر می‌گوید: “این اتفاق خیلی سریع نمی‌افتد. مسئله این است که این آنزیم‌ها کند و ناکارآمد هستند. از آن‌جایی که هر دو آنزیم از باکتری به دست می‌آیند و از آنجایی که PET تنها حدود ۷۵ سال سن دارد، هر دو آنزیم دچار یک تکامل سریع شده و خیلی کامل نیستند.”

وبر معتقد است آنزیم‌های پلاستیک خوار نهایتا جوری بهبود می‌یابند که بتوانند در برخی محیط‌ها فعالیت کنند. اما ظرفیت آن‌ها محدود خواهد بود. وی توضیح می‌دهد: “روش‌های بازیافت سنتی PET (كه در حدود ۱۸٪ از كل پلاستیك‌ها است) معایب زیادی دارند. این روش‌ها به مرتب‌سازی زباله‌ها نیاز داشته و انرژی زیادی (به ویژه انرژی حاصل از نفت خام) مصرف می‌کنند. آنزیم‌هایی مثل PETase و MHETase، PET را به واحدهای سازنده آن می‌شکنند. پس می‌توان از بلوک‌های سازنده برای دور جدید سنتز PET استفاده کرد. این کار می‌تواند چندین دفعه نامحدود، با حداقل اتلاف کربن، با نیاز به انرژی کم و تقریباً بدون مصرف نفت خام تکرار شود. “

بنابراین نهایتا اگر این روش جواب دهد، می‌تواند یک چرخه تولید و بازیابی بسته برای پلاستیک PET ایجاد کند. این چرخه کاملاً پایدار است.

اما متاسفانه خبرها همه خوب نیستند.

گربر می گوید: “پلاستیک‌ها در محیط یا به صورت تکه تکه شده دفع می‌شوند، یا با گذشت زمان تکه تکه می‌شوند (ریزپلاستیک‌ها). هر چه قطعات کوچک‌تر باشند، حذف آن‌ها از محیط کار دشوارتر خواهد بود. تکه تکه و پخش شدن پلاستیک‌ها آن‌قدر گسترده است که قابل اندازه‌گیری نیست. هنوز هم ممکن است طبیعت (همانطور که با PETase و MHETase دیده شد) برای انواع دیگر پلیمرها هم راه‌حل‌ها یا آنزیم‌های مختلف پیدا کند.”

توصیه وی: “تولید پلاستیک PET را در اسرع وقت متوقف کنید.”