يصنع الباحثون إنزيمًا متحورًا يهضم البلاستيك
قد يساعد اكتشاف مجموعة دولية من العلماء ، تضم اثنين من البرازيليين ، في تقليل التلوث الناجم عن المادة
تمكنت مجموعة دولية من العلماء ، شارك فيها اثنان من البرازيليين من جامعة كامبيناس (Unicamp) ، من تحسين أداء PETase ، وهو إنزيم قادر على التغذية على البولي إيثيلين تيريفثاليت ، بلاستيك PET. بعد اكتشاف PETase في نوع جديد من البكتيريا في عام 2016 ، عمل فريق الباحثين على الحصول على بنية الإنزيم وفهم كيفية عمله. في هذه العملية ، انتهى بهم الأمر عن طريق الصدفة إلى خلق طفرة في الإنزيم الذي لديه تقارب أكبر مع PET - أي احتمال أكبر لتحلل البلاستيك.
يتمتع هذا العمل بإمكانيات هائلة للاستخدام العملي ، حيث تشير التقديرات إلى أن ما بين 4.8 و 12.7 مليون طن من البلاستيك يتم إطلاقها في المحيطات كل عام - وهو رقم من المرجح أن ينمو فقط. يتم استخدام المواد البلاستيكية ، التي تتراكم حتى على أبعد الشواطئ على كوكب الأرض ، على وجه التحديد بسبب مقاومتها للتدهور ، وهو أكثر ما يهدد البيئة. عند التخلص منها ، يمكن أن تظل زجاجة PET ، على سبيل المثال ، في البيئة لمدة 800 عام - بالإضافة إلى مشكلة الجسيمات البلاستيكية الدقيقة المتنامية والمقلقة.
- فهم التأثير البيئي للنفايات البلاستيكية على السلسلة الغذائية
- ما هو أصل البلاستيك الذي يلوث المحيطات؟
مع كل هذا ، من السهل فهم الاهتمام الكبير الذي أثاره اكتشاف إنزيم قادر على هضم البولي إيثيلين تيريفثالات. هذا الإنزيم ، المسمى PETase ، زاد الآن من قدرته على تحلل البلاستيك. تم وصف الجدة في مقال نشر في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية (PNAS).
شارك باحثان من معهد الكيمياء في جامعة ولاية كامبيناس (IQ-Unicamp) في البحث ، بالتعاون مع باحثين من المملكة المتحدة (جامعة بورتسموث) والولايات المتحدة (المختبر الوطني للطاقة المتجددة). هما طالب ما بعد الدكتوراه رودريغو لياندرو سيلفيرا ومشرفه ، الأستاذ الرئيسي وعميد الأبحاث في Unicamp Munir Salomão Skaf.
“يستخدم البولي إيثيلين تيريفثاليت بشكل أساسي في صناعة زجاجات المشروبات ، كما يستخدم على نطاق واسع في صناعة الملابس والبسط والأشياء الأخرى. في بحثنا ، قمنا بتمييز البنية ثلاثية الأبعاد للإنزيم القادر على هضم هذا البلاستيك ، وقمنا بهندسته ، وزيادة قدرته على التحلل ، وأثبتنا أنه نشط أيضًا في البولي إيثيلين 2.5-فورانيكاربوكسيلات (PEF) ، بديلاً عن PET المُصنَّع من مواد خام متجددة ، "قال سيلفيرا لوكالة Agência FAPESP.
ظهر الاهتمام بـ PETase في عام 2016 ، عندما حددت مجموعة من الباحثين اليابانيين ، بقيادة شوسوكي يوشيدا ، نوعًا جديدًا من البكتيريا ، إيديونيلا ساكاينسيس، قادرة على استخدام البولي إيثيلين تيريفثاليت كمصدر للكربون والطاقة - وبعبارة أخرى ، قادرة على التغذية على PET. إنه ، حتى الآن ، الكائن الوحيد المعروف الذي يتمتع بهذه القدرة. ينمو حرفيا على PET.
"بالإضافة إلى تحديد إيديونيلا ساكاينسيس، اكتشف اليابانيون أنه ينتج إنزيمين يتم إفرازهما في البيئة. كان أحد الإنزيمات المفرزة بالتحديد PETase. نظرًا لأنه يحتوي على درجة معينة من التبلور ، فإن PET عبارة عن بوليمر يصعب تحلله. نحن نستخدم مصطلح "التمرد" تقنيًا لتسمية الخاصية التي يجب أن تقاوم بعض البوليمرات المعبأة بإحكام التدهور. PET هو واحد منهم. لكن PETase يهاجمها ويقسمها إلى وحدات صغيرة - أحادي (2-هيدروكسي إيثيل) حمض تريفثاليك (MHET). ثم يتم تحويل وحدات MHET إلى حمض تريفثاليك [بواسطة إنزيم ثان] وتمتصها البكتيريا وتستقلبها ، "قال سيلفيرا.
تستخدم جميع الكائنات الحية المعروفة الجزيئات الحيوية للبقاء على قيد الحياة. الكل ما عدا Ideonella sakaiensis ، الذي يدير استخدام جزيء اصطناعي ، يصنعه الإنسان. هذا يعني أن هذه البكتيريا هي نتيجة لعملية تطورية حديثة جدًا حدثت خلال العقود القليلة الماضية. تمكنت من التكيف مع بوليمر تم تطويره في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي وبدأ استخدامه على نطاق صناعي فقط في السبعينيات ، ولهذا السبب ، يعتبر PETase هو القطعة الأساسية.
"يقوم PETase بالجزء الأصعب ، وهو كسر الهيكل البلوري وإزالة البلمرة PET إلى MHET. إن عمل الإنزيم الثاني ، الذي يحول MHET إلى حمض تريفثاليك ، هو بالفعل أبسط بكثير ، نظرًا لأن ركائزه تتكون من مونومرات يسهل للإنزيم الوصول إليها لأنها مشتتة في وسط التفاعل. لذلك ، ركزت الدراسات على PETase ”، أوضح سيلفيرا.
كانت الخطوة التالية هي دراسة PETase بالتفصيل وكانت هذه مساهمة البحث الجديد. "كان تركيزنا على معرفة ما الذي أعطى PETase القدرة على فعل شيء لم تكن الإنزيمات الأخرى قادرة على القيام به بكفاءة عالية. لذلك ، كانت الخطوة الأولى هي الحصول على البنية ثلاثية الأبعاد لهذا البروتين.
"الحصول على بنية ثلاثية الأبعاد يعني إيجاد إحداثيات x و y و z لكل من آلاف الذرات التي تشكل الجزيء الكبير. قام زملاؤنا البريطانيون بهذا العمل باستخدام تقنية معروفة ومستخدمة على نطاق واسع تسمى حيود الأشعة السينية "، أوضح.
يرتبط الإنزيم المعدل بالبوليمر بشكل أفضل
بمجرد الحصول على الهيكل ثلاثي الأبعاد ، بدأ الباحثون في مقارنة PETase بالبروتينات ذات الصلة. أقرب شيء هو الكوتيناز من بكتيريا Thermobifida fusca ، الذي يحلل الكوتين ، وهو نوع من الورنيش الطبيعي الذي يغلف أوراق النبات. تستخدم بعض الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض الكيتينازات لكسر حاجز الكوتين وتناسب العناصر الغذائية الموجودة في الأوراق.
الصورة: هيكل PETase ، باللون الأزرق ، مع سلسلة PET (باللون الأصفر) متصلة بموقعها النشط ، حيث ستتحلل. بيان صحفي / رودريغو لياندرو سيلفيرا.
"وجدنا أنه في منطقة الإنزيم التي تحدث فيها التفاعلات الكيميائية ، ما يسمى بـ" الموقع النشط "، كان للـ PETase بعض الاختلافات فيما يتعلق بالكيوتيناز. لديها موقع نشط أكثر انفتاحا. من خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية - وكان هذا هو الجزء الذي ساهمت فيه أكثر - تمكنا من دراسة الحركات الجزيئية للإنزيم. في حين أن التركيب البلوري ، الذي تم الحصول عليه عن طريق حيود الأشعة السينية ، يوفر معلومات ثابتة ، فإن المحاكاة تجعل من الممكن الحصول على معلومات ديناميكية واكتشاف الدور المحدد لكل حمض أميني في عملية تدهور PET "، أوضح الباحث من IQ-Unicamp.
تنتج فيزياء حركة الجزيء عن عوامل الجذب والتنافر الكهروستاتيكية لمجموعة ضخمة من الذرات ودرجة الحرارة. سمحت لنا عمليات المحاكاة الحاسوبية بفهم أفضل لكيفية ربط PETase مع PET وتفاعله معها.
لقد وجدنا أن PETase و cutinase لهما نوعان مختلفان من الأحماض الأمينية في الموقع النشط. قال سيلفيرا ، باستخدام إجراءات البيولوجيا الجزيئية ، ننتج طفرات في PETase ، بهدف تحويله إلى كوتيناز.
"إذا تمكنا من القيام بذلك ، فسنبين سبب كون PETase هو PETase ، أي أننا سنعرف المكونات التي تمنحها هذه الخاصية الفريدة من PET المهينة. ولكن لدهشتنا ، من خلال محاولة قمع النشاط الغريب لـ PETase ، أي بمحاولة تحويل PETase إلى cutinase ، فإننا ننتج PETase أكثر نشاطًا. كنا نتطلع إلى تقليل النشاط وبدلاً من ذلك قمنا بزيادته "، قال.
وقد تطلب ذلك مزيدًا من الدراسات الحسابية لفهم سبب كون الطافرة PETase أفضل من PETase الأصلي. من خلال النمذجة والمحاكاة ، كان من الممكن رؤية التغييرات التي تم إنتاجها في PETase لصالح اقتران الإنزيم مع الركيزة.
يرتبط الإنزيم المعدل بالبوليمر بشكل أفضل. يعتمد هذا الاقتران على عوامل هندسية ، أي نوع "المفتاح والقفل" المناسب بين الجزيئين. ولكن أيضًا العوامل الديناميكية الحرارية ، أي التفاعلات بين المكونات المختلفة للإنزيم والبوليمر. الطريقة الأنيقة لوصف ذلك هي القول بأن PETase المعدل له "تقارب أكبر" مع الركيزة.
من حيث التطبيق العملي المستقبلي ، للحصول على مكون قادر على تحطيم أطنان من النفايات البلاستيكية ، حققت الدراسة نجاحًا كبيرًا. لكن السؤال حول ما الذي يجعل PETase a PETase يظل بلا إجابة.
"يحتوي الكوتيناز على أحماض أمينية أ و ب. يحتوي PETase على أحماض أمينية x و y. نتخيل أنه من خلال استبدال x و y بـ a و b ، سنكون قادرين على تحويل PETase إلى cutinase. بدلاً من ذلك ، ننتج PETase محسنًا. وبعبارة أخرى ، فإن هذين الأحماض الأمينية ليسا تفسيرًا للسلوك التفاضلي بين الإنزيمين. قال سيلفيرا.
التطور المستمر
الكوتيناز هو إنزيم قديم ، بينما إنزيم PETase هو إنزيم حديث ، ناتج عن الضغط التطوري الذي جعل من الممكن إيديونيلا ساكاينسيس تتكيف مع بيئة تحتوي فقط أو بشكل رئيسي على البولي إيثيلين تيريفثاليت كمصدر للكربون والطاقة.
من بين العديد من البكتيريا غير القادرة على استخدام هذا البوليمر ، ولدت بعض الطفرات نوعًا تمكن من القيام بذلك. بدأت هذه البكتيريا في التكاثر والنمو أكثر بكثير من غيرها لأنها كانت تحتوي على ما يكفي من الغذاء. مع ذلك ، تطورت. على الأقل هذا هو التفسير الذي قدمته نظرية التطور القياسية.
"حقيقة حصولنا على إنزيم أفضل من خلال إجراء تغيير طفيف تشير بقوة إلى أن هذا التطور لم يكتمل بعد. لا تزال هناك احتمالات تطورية جديدة يجب فهمها واستكشافها بهدف الحصول على إنزيمات أكثر كفاءة. PETase المحسن ليس نهاية الطريق. قال سيلفيرا.
بهدف التطبيق ، فإن الخطوة التالية هي الانتقال من نطاق المختبر إلى النطاق الصناعي. لهذا ، ستكون الدراسات الأخرى المتعلقة بهندسة المفاعلات ، وتحسين العملية وخفض التكلفة ضرورية.
