Raziskovalci ustvarjajo mutirani encim, ki prebavlja plastiko

Odkritje mednarodne skupine znanstvenikov, ki vključuje dva Brazilca, lahko prispeva k zmanjšanju onesnaževanja, ki ga povzroča material

V morjih se kopičijo plastični smeti

Mednarodni skupini znanstvenikov, v kateri sodelujeta dva Brazilca z univerze Campinas (Unicamp), je uspelo izboljšati delovanje PETase, encima, ki se lahko hrani s polietilen tereftalatom, iz plastike PET. Potem ko je bila PETase leta 2016 odkrita pri novi vrsti bakterij, je skupina raziskovalcev delala, da bi pridobila strukturo encima in razumela njegovo delovanje. V tem procesu so po naključju ustvarili mutacijo encima, ki ima še večjo afiniteto s PET - torej večji potencial za razgradnjo plastike.

Delo ima izjemen potencial za praktično uporabo, saj se ocenjuje, da vsako leto v oceanih izpustijo med 4,8 in 12,7 milijona ton plastike - število le narašča. Plastika, ki se kopiči tudi na najbolj oddaljenih plažah na planetu, se tako uporablja ravno zaradi odpornosti proti razgradnji, ki najbolj ogroža okolje. Ko ga zavržemo, lahko na primer plastenka PET ostane v okolju 800 let - poleg naraščajočega in zaskrbljujočega problema mikroplastike.

  • Razumevanje vpliva plastičnih odpadkov na okolje za prehranjevalno verigo
  • Kakšen je izvor plastike, ki onesnažuje oceane?

Ob vsem tem je enostavno razumeti velik interes, ki ga je vzbudilo odkritje encima, ki je sposoben prebaviti polietilen tereftalat. Ta encim, imenovan PETase, je zdaj povečal svojo sposobnost razgradnje plastike. Novost je bila opisana v članku, objavljenem v Zborniku Nacionalne akademije znanosti Združenih držav Amerike (PNAS).

V raziskavi sta sodelovala dva raziskovalca s Kemijskega inštituta državne univerze v Campinasu (IQ-Unicamp) v sodelovanju z raziskovalci iz Združenega kraljestva (Univerza v Portsmouthu) in ZDA (National Renewable Energy Laboratory). So podoktorski kolega Rodrigo Leandro Silveira in njegov nadzornik, profesor in prorektor za raziskave v Unicampu Munir Salomão Skaf.

»Polietilen tereftalat, ki se uporablja predvsem pri izdelavi steklenic za pijače, se pogosto uporablja tudi pri izdelavi oblačil, preprog in drugih predmetov. V naši raziskavi smo opredelili tridimenzionalno strukturo encima, ki je sposoben prebaviti to plastiko, jo izdelali, povečali njeno razgradno moč in pokazali, da je aktiven tudi v polietilen-2,5-furanedikarboksilatu (PEF), nadomestku za PET, proizveden iz iz obnovljivih surovin, «je Silveira povedal Agência FAPESP.

Zanimanje za PETase se je pojavilo leta 2016, ko je skupina japonskih raziskovalcev na čelu s Shosukejem Yoshido identificirala novo vrsto bakterij Ideonella sakaiensis , ki lahko polietilen tereftalat uporablja kot vir ogljika in energije - z drugimi besedami, sposobno hraniti s PET. Do danes je edini znani organizem s to sposobnostjo. Na PET-u dobesedno raste.

»Poleg prepoznavanja Ideonelle sakaiensis so Japonci odkrili, da proizvaja dva encima, ki se izločata v okolje. Eden od izločenih encimov je bila PETaza. Zaradi svoje kristalnosti je PET polimer, ki ga je zelo težko razgraditi. Izraz "preračunljivost" tehnično uporabljamo za poimenovanje lastnosti, ki se ji morajo nekateri zelo pakirani polimeri upirati razgradnji. PET je eden izmed njih. Toda PETaza jo napade in razbije na majhne enote - mono (2-hidroksietil) tereftalno kislino (MHET). Nato se enote MHET pretvorijo v tereftalno kislino [z drugim encimom], bakterije pa jih absorbirajo in presnovijo, «je dejal Silveira.

Vsa znana živa bitja za preživetje uporabljajo biomolekule. Vse razen Ideonella sakaiensis, ki uspe uporabiti sintetično molekulo, ki jo proizvajajo ljudje. To pomeni, da je ta bakterija rezultat zelo nedavnega evolucijskega procesa, ki se je zgodil v zadnjih nekaj desetletjih. Uspelo se je prilagoditi polimeru, ki je bil razvit v zgodnjih štiridesetih letih prejšnjega stoletja in se je v industrijskem obsegu začel uporabljati šele v sedemdesetih letih 20. Za to je PETase ključni del.

“PETase naredi najtežji del, to je razbiti kristalno strukturo in depolimerizirati PET v MHET. Delo drugega encima, ki pretvori MHET v tereftalno kislino, je že veliko preprostejše, saj njegov substrat tvorijo monomeri, do katerih je encim lahko dostopen, ker so razpršeni v reakcijskem mediju. Zato so bile študije osredotočene na PETase, «je pojasnil Silveira.

Naslednji korak je bil podrobno preučiti PETase in to je bil prispevek nove raziskave. »Naš poudarek je bil ugotoviti, kaj je PETaseu omogočilo, da naredi nekaj, česar drugi encimi niso mogli zelo učinkovito. Za to je bil prvi korak pridobiti tridimenzionalno strukturo te beljakovine, «je dejal.

»Pridobiti tridimenzionalno strukturo pomeni odkriti koordinate x, y in z vsakega od tisoč atomov, ki tvorijo makromolekulo. Naši britanski kolegi so to delo opravili z dobro znano in uporabljeno tehniko, imenovano rentgenska difrakcija, «je pojasnil.

Spremenjeni encim se bolje veže na polimer

Po tridimenzionalni strukturi so raziskovalci začeli primerjati PETase s sorodnimi beljakovinami. Najbolj podobna je cutinaza bakterije Thermobifida fusca, ki razgradi cutin, nekakšen naravni lak, ki prekrije liste rastlin. Nekateri patogeni mikroorganizmi uporabljajo cutinaze, da prebijejo cutin oviro in si prisvojijo hranila, prisotna v listih.

Encim, ki prebavlja plastiko

Slika: Struktura PETase, v modri barvi, s PET verigo (v rumeni barvi), ki je povezana z aktivnim mestom, kjer se bo razgradila. Sporočilo za javnost / Rodrigo Leandro Silveira.

“Ugotovili smo, da je PETase v območju encima, kjer se pojavljajo kemične reakcije, tako imenovano„ aktivno mesto “, pokazalo nekaj razlik v zvezi s cutinazo. Ima bolj odprto aktivno spletno mesto. Z računalniškimi simulacijami - in to je bil del, kjer sem največ prispeval - smo lahko preučevali molekularna gibanja encima. Medtem ko kristalografska struktura, pridobljena z rentgensko difrakcijo, zagotavlja statične informacije, simulacije omogočajo dinamične informacije in odkrivanje posebne vloge vsake aminokisline v procesu razgradnje PET-ja, «je pojasnil raziskovalec iz IQ-Unicampa.

Fizika gibanja molekule je posledica elektrostatičnih privlačnosti in odbijanja ogromnega sklopa atomov in temperature. Računalniške simulacije so nam omogočile, da smo bolje razumeli, kako se PETase veže in sodeluje s PET.

»Ugotovili smo, da imata PETaza in cutinaza na aktivnem mestu dve različni aminokislini. S postopki molekularne biologije smo nato proizvedli mutacije v PETase, da bi jo preoblikovali v cutinazo, «je dejal Silveira.

»Če bi to lahko storili, bi pokazali, zakaj je PETase PETase, torej bi vedeli, katere sestavine mu dajejo posebno lastnost razgradnje PET. Toda na naše presenečenje, ko poskušamo zatreti posebno aktivnost PETase, to je, ko poskušamo transformirati PETase v cutinazo, proizvedemo še bolj aktivno PETase. Želeli smo zmanjšati aktivnost in jo namesto tega povečali, «je dejal.

To je zahtevalo nadaljnje računske študije, da bi razumeli, zakaj je mutantna PETase boljša od prvotne PETase. Z modeliranjem in simulacijami je bilo mogoče opaziti, da spremembe, ki nastanejo v PETazi, dajejo prednost spajanju encima s substratom.

Spremenjeni encim se bolje veže na polimer. Ta sklopka je odvisna od geometrijskih dejavnikov, to je od tipa "ključ in ključavnica" med dvema molekulama. Toda tudi termodinamičnih dejavnikov, torej interakcij med različnimi komponentami encima in polimera. Eleganten način za opis tega je, da ima spremenjena PETaza "večjo afiniteto" za podlago.

Glede prihodnje praktične uporabe, pridobivanja sestavine, ki lahko razgradi tone plastičnih odpadkov, je bila študija izjemno uspešna. Toda vprašanje, zaradi česa je PETase PETase, ostaja neodgovorjeno.

»Cutinaza vsebuje aminokislini a in b. PETase vsebuje aminokislini x in y. Predstavljamo si, da bi lahko z izmenjavo x in y za a in b PETase pretvorili v kutinazo. Namesto tega izdelujemo izboljšano PETase. Z drugimi besedami, aminokislini nista razlaga za različno vedenje obeh encimov. Gre za nekaj drugega, «je dejal Silveira.

Tekoči razvoj

Cutinaza je starodavni encim, PETase pa sodobni encim, ki je posledica evolucijskega pritiska, ki je Ideonella sakaiensis omogočil prilagoditev na medij, ki vsebuje samo ali večinoma polietilen tereftalat kot vir ogljika in energije.

Med številnimi bakterijami, ki tega polimera ne morejo uporabiti, je nekatera mutacija ustvarila vrsto, ki ji je to uspelo. Ta bakterija se je začela razmnoževati in rasti veliko bolj kot druge, ker je imela dovolj hrane. S tem se je razvilo. Vsaj tako pojasnjuje standardna evolucijska teorija.

»Dejstvo, da smo z majhno spremembo dobili boljši encim, močno nakazuje, da ta razvoj še ni zaključen. Še vedno obstajajo nove evolucijske možnosti, ki jih je treba razumeti in raziskati, da bi dobili še učinkovitejše encime. Izboljšana PETase ni konec poti. Šele začetek je, «je dejal Silveira.

Naslednji korak za uporabo je prehod iz laboratorijskega v industrijski obseg. Za to bodo potrebne nadaljnje študije, povezane z reaktorskim inženirstvom, optimizacijo procesov in znižanjem stroškov.