Politica 89.8
Πλαστικά: Το ένζυμο που τα διασπά και ανοίγει νέο δρόμο στην ανακύκλωση
Ένα νέο βακτηριακό ένζυμο, ικανό να διασπά ορισμένους πολυεστέρες αλλά και την πενικιλίνη, ανακάλυψαν επιστήμονες, φέρνοντας στο προσκήνιο μια πιθανή σχέση ανάμεσα στη βιοαποδόμηση των πλαστικών και την ανθεκτικότητα των βακτηρίων στα αντιβιοτικά.
Εδώ και δεκαετίες, τεράστιες ποσότητες συνθετικών πλαστικών απορριμμάτων συγκεντρώνονται στους ωκεανούς, σχηματίζοντας εκτεταμένες ζώνες ρύπανσης. Με την πάροδο του χρόνου, τα υλικά αυτά κατακερματίζονται σε μικροπλαστικά και νανοπλαστικά, τα οποία εγκυμονούν κινδύνους για το περιβάλλον. Βασική αιτία της συσσώρευσής τους είναι η αδυναμία των φυσικών βιολογικών μηχανισμών να τα αποδομήσουν με επαρκή ταχύτητα.
Παρά τη δυσκολία αυτή, μικροοργανισμοί εγκαθίστανται στις επιφάνειες των πλαστικών, σχηματίζοντας βιοϋμένια και δημιουργώντας ένα ιδιαίτερο μικροβιακό οικοσύστημα, γνωστό ως «πλαστισφαίρα» (plastisphere). Το βασικό εμπόδιο στη διάσπαση των πλαστικών δεν είναι η αδυναμία των μικροοργανισμών να τα αξιοποιήσουν ως τροφή, αλλά η χημική δομή των συνθετικών πολυμερών, η οποία δεν είναι συμβατή με τα ένζυμα που διαθέτουν συνήθως τα βακτήρια.
Επιστημονική ομάδα του Πανεπιστημίου της Κωνσταντίας στη Γερμανία ανακάλυψε ένα ένζυμο που μπορεί να διασπά συγκεκριμένες κατηγορίες πολυεστέρων και βιοπλαστικών. Οι ερευνητές το ονόμασαν «Pac-Man», καθώς η ασυνήθιστα ανοιχτή δομή της ενεργού περιοχής του θυμίζει τον γνωστό χαρακτήρα του ηλεκτρονικού παιχνιδιού. Οι εργαστηριακές αναλύσεις αποκάλυψαν, ωστόσο, και μια δεύτερη ιδιότητα: το ένζυμο μπορεί να διασπά την πενικιλίνη, γεγονός που εγείρει το ενδεχόμενο να συμβάλλει στην ανάπτυξη αντοχής των βακτηρίων απέναντι σε ορισμένα αντιβιοτικά.
Τα βιοπλαστικά αποδομούνται, τα συμβατικά πλαστικά παραμένουν
Η ανακάλυψη προέκυψε στο πλαίσιο έρευνας για την ικανότητα των μικροβιακών κοινοτήτων να αποδομούν πλήρως αλειφατικούς πολυεστέρες μακράς αλυσίδας (LCAPs). Τα συγκεκριμένα υλικά είχαν αναπτυχθεί από την ερευνητική ομάδα του χημικού Στέφαν Μέκινγκ, η οποία συμμετείχε και στη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό «The ISME Journal».
Για τις ανάγκες της έρευνας, οι επιστήμονες τοποθέτησαν μικρά κομμάτια βιοπλαστικής μεμβράνης LCAP μέσα στο έδαφος του βοτανικού κήπου του πανεπιστημίου, σε βάθος περίπου δέκα εκατοστών. Επέλεξαν το ανώτερο στρώμα του χούμου, όπου πραγματοποιείται φυσιολογικά η αποσύνθεση της κυτταρίνης και άλλων φυσικών πολυμερών, όπως η κουτίνη, ένας πολυεστέρας φυτικής προέλευσης. Τα δείγματα παρέμειναν θαμμένα και ανέπαφα επί έναν χρόνο.
Παράλληλα, οι ερευνητές πραγματοποίησαν εργαστηριακό πείραμα, αναμειγνύοντας σκόνη βιοπλαστικού με χώμα από την ίδια δασική περιοχή. Για δώδεκα μήνες κατέγραφαν την παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα, ώστε να παρακολουθούν τη δραστηριότητα των μικροοργανισμών. Καθώς η μικροβιακή αναπνοή συνοδεύεται από έκλυση διοξειδίου του άνθρακα, οι μετρήσεις αυτές παρείχαν ενδείξεις για τον ρυθμό με τον οποίο οι μικροοργανισμοί κατανάλωναν τα υλικά.
Στα πειράματα χρησιμοποιήθηκαν επίσης κυτταρίνη, άλλες κατηγορίες βιοπλαστικών, όπως τα PHBV και PCL, πλαστικό πολυαιθυλενίου υψηλής πυκνότητας (HDPE), καθώς και μη επεξεργασμένο χώμα, προκειμένου να γίνουν συγκρίσεις.
Σύμφωνα με τον Λέρνερ, τα βιοπλαστικά αποδομήθηκαν πλήρως μέσα σε περίπου 250 έως 330 ημέρες, ενώ η κυτταρίνη χρειάστηκε περίπου 80 ημέρες. Αντίθετα, στην περίπτωση του συμβατικού πλαστικού HDPE δεν καταγράφηκε ουσιαστική αποδόμηση.
Πώς τα βακτήρια ανοίγουν μικροσκοπικές οπές στο πλαστικό
Όταν η επιστημονική ομάδα ανέσυρε τις μεμβράνες LCAP από το δασικό έδαφος, τις εξέτασε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και διαπίστωσε ότι στην επιφάνειά τους είχαν σχηματιστεί μικροσκοπικές οπές. Το μέγεθος και το σχήμα κάθε οπής αντιστοιχούσαν σε εκείνα ενός μεμονωμένου βακτηριακού κυττάρου.
Η παρατήρηση αυτή οδήγησε τους ερευνητές στην υπόθεση ότι τα βακτήρια διαθέτουν στην επιφάνειά τους ειδικά ένζυμα, τις αποπολυμεράσες πλαστικών, τα οποία παραμένουν προσδεδεμένα στα κύτταρά τους. Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσαν να διασπούν σταδιακά το πλαστικό καθώς εισχωρούν στο εσωτερικό του, δημιουργώντας μικροσκοπικές κοιλότητες και αφήνοντας πίσω τους χαρακτηριστικές οπές.
Προκειμένου να εντοπίσουν το ένζυμο που ευθυνόταν για τη διαδικασία, οι επιστήμονες απομόνωσαν και ανέλυσαν το σύνολο του DNA της μικροβιακής κοινότητας του εδάφους. Μέσω της ανάλυσης του μεταγονιδιώματος, επιχείρησαν να προσδιορίσουν ποιοι μικροοργανισμοί και ποια γονίδια είχαν παρουσιάσει αύξηση κατά την αποδόμηση του LCAP.
Ανάμεσα στα ευρήματα ξεχώρισε ένα γονίδιο, το οποίο εμφανιζόταν σε ιδιαίτερα αυξημένη αφθονία αποκλειστικά στο δασικό έδαφος που περιείχε το συγκεκριμένο βιοπλαστικό. Το γονίδιο αυτό κωδικοποιούσε μια εστεράση, δηλαδή ένα ένζυμο που διαθέτει τόσο ένα σήμα για τη μεταφορά του έξω από το βακτηριακό κύτταρο όσο και έναν λιπιδικό μηχανισμό αγκύρωσης στην κυτταρική μεμβράνη.
Χάρη σε αυτή τη δομή, το ένζυμο θα μπορούσε να παραμένει στερεωμένο στην εξωτερική επιφάνεια του βακτηρίου και να έρχεται σε άμεση επαφή με το πλαστικό, διευκολύνοντας τη διάσπασή του καθώς ο μικροοργανισμός το καταναλώνει.
Ένα ένζυμο με διπλή δράση: Διασπά πλαστικά και πενικιλίνη
Η περαιτέρω μελέτη της μοριακής δομής του ενζύμου αποκάλυψε ομοιότητες τόσο με τις εστεράσες όσο και με τις β-λακταμάσες. Οι τελευταίες αποτελούν μια κατηγορία βακτηριακών ενζύμων που μπορούν να διασπούν τον β-λακταμικό δακτύλιο αντιβιοτικών, όπως η πενικιλίνη, εξουδετερώνοντας τη δράση τους και καθιστώντας τα βακτήρια ανθεκτικά.
Οι εργαστηριακές δοκιμές επιβεβαίωσαν ότι το νέο ένζυμο διαθέτει δύο διαφορετικές βιοχημικές λειτουργίες. Από τη μία πλευρά, διασπά τους πολυεστέρες στα μονομερή τους, δηλαδή στα επιμέρους μόρια από τα οποία αποτελούνται. Από την άλλη, είναι ικανό να διασπά και την πενικιλίνη.
Η διπλή αυτή ιδιότητα υποδηλώνει ότι το ένζυμο ενδέχεται να συμμετέχει όχι μόνο στη διαδικασία αποδόμησης των πλαστικών, αλλά και σε μηχανισμούς που σχετίζονται με τη μικροβιακή αντοχή στα αντιβιοτικά.
Η σημασία των πλαστικών που μπορούν να διασπαστούν βιολογικά
Όπως εξηγούν οι επιστήμονες, η «πλαστισφαίρα» αποτελεί έναν σχετικά πρόσφατο βιότοπο, ο οποίος δημιουργήθηκε εξαιτίας της εκτεταμένης παρουσίας πλαστικών στο περιβάλλον. Οι άνθρωποι άρχισαν να απελευθερώνουν σημαντικές ποσότητες αυτών των υλικών στη φύση μόλις τα τελευταία 50 έως 75 χρόνια.
Στο διάστημα αυτό, τα πλαστικά αποτέλεσαν θεωρητικά μια νέα διαθέσιμη πηγή άνθρακα και ενέργειας για μικροβιακούς οργανισμούς, όπως τα βακτήρια, οι ζύμες και οι μύκητες. Ωστόσο, παρότι οι μικροοργανισμοί θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν αυτά τα υλικά για την ανάπτυξή τους, η χημική τους σύνθεση τα καθιστά ουσιαστικά μη αφομοιώσιμα από τον μικροβιακό μεταβολισμό. Γι’ αυτό και η φυσική αποδόμησή τους παραμένει εξαιρετικά περιορισμένη.
Η ανακάλυψη του ενζύμου «Pac-Man» αποτελεί ένδειξη ότι ορισμένοι μικροοργανισμοί ενδέχεται να έχουν αναπτύξει εξειδικευμένους μηχανισμούς για τη διάσπαση πλαστικών πολυεστέρων. Παρ’ όλα αυτά, οι ερευνητές επισημαίνουν ότι η αντιμετώπιση της πλαστικής ρύπανσης δεν μπορεί να βασιστεί αποκλειστικά στην ικανότητα των βακτηρίων να αποδομούν συνθετικά υλικά που παραμένουν επί μακρόν στο περιβάλλον.
Αντίθετα, θεωρούν αναγκαία την ευρύτερη χρήση βιοδιασπώμενων πλαστικών, όπου αυτό είναι εφικτό, ώστε οι φυσικοί μικροοργανισμοί να μπορούν να συμβάλλουν αποτελεσματικότερα στην αποσύνθεσή τους.
Οι επιστήμονες χαρακτηρίζουν ενθαρρυντικό το γεγονός ότι τα βακτήρια φαίνεται να προσαρμόζονται στη διάσπαση πλαστικών πολυεστέρων ταχύτερα από ό,τι αναμενόταν. Υπογραμμίζουν, ωστόσο, ότι για την ουσιαστική αντιμετώπιση της περιβαλλοντικής ρύπανσης απαιτείται ο σχεδιασμός υλικών που θα αξιοποιούν τις φυσικές δυνατότητες των μικροοργανισμών.
Ιδανικά, όπως επισημαίνουν, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται πολυμερή που περιέχουν χημικούς δεσμούς ευάλωτους στη βιολογική διάσπαση, όπως οι υδρολύσιμοι εστερικοί δεσμοί που συναντώνται στους πολυεστέρες LCAP και σε άλλες κατηγορίες βιοπλαστικών. Με αυτόν τον τρόπο, η ανάπτυξη νέων υλικών θα μπορούσε να συμβαδίζει με τις δυνατότητες της φύσης να τα αποδομεί.
newmoney.gr
