Ανακαλύφθηκε ένα ένζυμο «Pac-Man» που τρώει τα πλαστικά

Ένα νέο βακτηριακό ένζυμο μπορεί να διασπά ορισμένους πολυεστέρες αλλά και την πενικιλίνη υποδεικνύοντας μια πιθανή σύνδεση μεταξύ της διάσπασης των πλαστικών και της αντοχής στα αντιβιοτικά.

Για δεκαετίες, τα συνθετικά πλαστικά απόβλητα συσσωρεύονται σε τεράστιες «νησίδες» σκουπιδιών στους ωκεανούς και διασπώνται σε επικίνδυνα μικροπλαστικά και νανοπλαστικά, απλώς και μόνο επειδή ο βιολογικός κόσμος δεν μπορεί να τα διασπάσει με αρκετά γρήγορο ρυθμό.

Οι μικροοργανισμοί, ωστόσο, αποικίζουν αυτά τα συνθετικά υλικά στο περιβάλλον, σχηματίζοντας βιοϋμένια (biofilms) και δημιουργώντας έναν μοναδικό μικροβιακό βιότοπο τον οποίο οι ερευνητές αποκαλούν «πλαστισφαίρα» (plastisphere). Το πρόβλημα δεν είναι ότι οι μικροοργανισμοί δεν «θέλουν» να καταναλώσουν το πλαστικό, αλλά ότι υπάρχει μια βαθιά χημική ασυμβατότητα μεταξύ των σύγχρονων συνθετικών πολυμερών και των ενζύμων που διαθέτουν φυσιολογικά τα βακτήρια.

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Κονστάνζ στη Γερμανία, που αποτελεί ένα κορυφαίο ερευνητικό ακαδημαϊκό ίδρυμα, εντόπισαν ένα ένζυμο που επιτίθεται σε ορισμένους πολυεστέρες και βιοπλαστικά. Η ιδιαίτερα ανοιχτή ενεργή του περιοχή ενέπνευσε την ερευνητική ομάδα να το ονομάσει «ένζυμο Pac-Man». Εργαστηριακές δοκιμές έδειξαν επίσης ότι το ίδιο ένζυμο μπορεί να διασπά την πενικιλίνη, δημιουργώντας την πιθανότητα να βοηθά τα βακτήρια να αναπτύσσουν αντοχή σε ορισμένα αντιβιοτικά.

Τα βιοπλαστικά διασπώνται αλλά τα συμβατικά πλαστικά παραμένουν

Οι ερενητές ανακάλυψαν το ένζυμο ενώ διερευνούσαν κατά πόσο οι μικροβιακές κοινότητες μπορούν να διασπάσουν πλήρως πολυεστέρες μακράς αλυσίδας (long-chain aliphatic polyesters – LCAPs). Τα υλικά αυτά αναπτύχθηκαν από την ομάδα του χημικού Στέφαν Μέκινγκ η οποία συνεργάστηκε στην έρευνα που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «The ISME Journal».

«Θάψαμε μικρά κομμάτια φιλμ από βιοπλαστικό LCAP στο ανώτερο στρώμα χούμου του δάσους, στον βοτανικό κήπο του πανεπιστημίου, σε βάθος περίπου δέκα εκατοστών. Αυτό είναι το στρώμα όπου πραγματοποιείται η διάσπαση της κυτταρίνης και άλλων φυσικών πολυμερών, όπως η κουτίνη – ένας πολυεστέρας φυτικής προέλευσης» εξηγούν οι ερευνητές που άφησαν τα δείγματα στο δάσος χωρίς να τα ενοχλήσουν για έναν ολόκληρο χρόνο θαμμένα περίπου 10 εκατοστά κάτω από την επιφάνεια. Σε ένα παράλληλο εργαστηριακό πείραμα ανέμειξαν σκόνη βιοπλαστικού με δείγματα από το ίδιο δασικό έδαφος και παρακολούθησαν στενά την παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα για έναν χρόνο. Επειδή η μικροβιακή αναπνοή απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα, οι μετρήσεις αυτές επέτρεψαν στην ομάδα να παρακολουθήσει την πορεία των υλικών καθώς καταναλώνονταν από τους μικροοργανισμούς.

«Η κυτταρίνη, άλλοι τύποι βιοπλαστικών όπως τα PHBV και PCL, καθώς και πλαστικό υψηλής πυκνότητας (HDPE) και μη επεξεργασμένο έδαφος χρησιμοποιήθηκαν ως μάρτυρες στο εργαστήριο. Διαπιστώσαμε ότι όλα τα βιοπλαστικά υλικά διασπάστηκαν πλήρως μέσα σε περίπου 250 έως 330 ημέρες. Η κυτταρίνη διασπάστηκε μετά από περίπου 80 ημέρες, ενώ ουσιαστικά δεν παρατηρήθηκε καμία διάσπαση του HDPE», αναφέρει ο Lerner.

Τα βακτήρια μπορεί να «τρώνε» τον δρόμο τους μέσα στο πλαστικό

Όταν οι ερευνητές ανέκτησαν από το δάσος τα φιλμ LCAP που είχαν θαφτεί, η ηλεκτρονική μικροσκοπία αποκάλυψε μικροσκοπικές οπές στο υλικό. Κάθε άνοιγμα αντιστοιχούσε σε μέγεθος και σχήμα σε ένα μεμονωμένο βακτηριακό κύτταρο.

«Υποθέσαμε ότι τα βακτήρια είναι καλυμμένα με πλαστικο-αποπολυμεράσες, οι οποίες είναι αγκυρωμένες στην επιφάνεια των κυττάρων τους. Αυτό θα τους επέτρεπε να διασπούν το υλικό καθώς εισχωρούν σε αυτό και να εγκλωβίζονται μέσα στο φιλμ, αφήνοντας πίσω τους μικροσκοπικές οπές ακριβώς αυτού του τύπου» εξηγούν οι ερευνητές.

Η ερευνητική ομάδα αναζήτησε το υπεύθυνο ένζυμο, εξάγοντας και προσδιορίζοντας την αλληλουχία όλου του DNA που υπήρχε στη μικροβιακή κοινότητα του εδάφους. Στη συνέχεια ανέλυσε αυτό το μεταγονιδίωμα (metagenome), προκειμένου να προσδιορίσει ποιοι μικροοργανισμοί και ποια γονίδια είχαν αυξηθεί σε αφθονία κατά τη διάσπαση του LCAP.

Ένα γονίδιο ήταν ιδιαίτερα εμπλουτισμένο μόνο στο δασικό έδαφος που περιείχε LCAP. Κωδικοποιούσε μια εστεράση με ένα σήμα έκκρισης, το οποίο κατευθύνει το ένζυμο έξω από το βακτηριακό κύτταρο, καθώς και μια λιπιδική άγκυρα συνδεδεμένη με την κυτταρική μεμβράνη, η οποία το συγκρατεί σταθερά στην επιφάνεια του κυττάρου. Αυτή η διάταξη θα επέτρεπε στο βακτήριο να φέρνει το ένζυμο απευθείας σε επαφή με το πλαστικό καθώς το καταναλώνει.

Ένα ένζυμο επιτίθεται τόσο στους πολυεστέρες όσο και στην πενικιλίνη

«Η δομή του μοιάζει με εκείνη των εστερασών, αλλά και με εκείνη των β-λακταμασών, οι οποίες είναι βακτηριακά ένζυμα που μπορούν να διασπούν τον β-λακταμικό δακτύλιο ορισμένων αντιβιοτικών, όπως η πενικιλίνη, καθιστώντας έτσι τα βακτήρια ανθεκτικά στα αντιβιοτικά» λένε οι ερευνητές.

Σε εργαστηριακά πειράματα, το ένζυμο διέσπασε τους πολυεστέρες σε μονομερή, δηλαδή στα επιμέρους μοριακά δομικά στοιχεία τους, ενώ παράλληλα διέσπασε και την πενικιλίνη. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαίωσαν τη διπλή βιοχημική λειτουργία του ενζύμου, υποδεικνύοντας έναν πιθανό ρόλο του στην αντοχή στα αντιβιοτικά, πέρα από τη διάσπαση των πλαστικών.

Πλαστικά με χημικούς δεσμούς που μπορούν να διασπάσουν οι μικροοργανισμοί

«Η πλαστισφαίρα είναι ένας νέος βιότοπος στο περιβάλλον μας. Οι άνθρωποι άρχισαν να εισάγουν πλαστικό στο περιβάλλον σε σημαντικές ποσότητες μόλις τα τελευταία 50 έως 75 χρόνια. Έκτοτε, θεωρητικά, ήταν διαθέσιμο στις μικροβιακές κοινότητες – όπως τα βακτήρια, οι ζύμες και οι μύκητες – ως μια πρόσθετη πηγή άνθρακα και ενέργειας για την ανάπτυξή τους. Όταν λέμε “θεωρητικά” εννοούμε ότι σίγουρα θα ήθελαν να χρησιμοποιήσουν το πλαστικό ως υπόστρωμα ανάπτυξης – αλλά δεν μπορούν, επειδή τα υλικά αυτά είναι στην πραγματικότητα μη εύπεπτα για τον μικροβιακό μεταβολισμό και, επομένως, διασπώνται ελάχιστα» αναφέρουν οι ερευνητές.

Το ένζυμο Pac-Man υποδεικνύει ότι ορισμένοι μικροοργανισμοί μπορεί να έχουν εξειδικευτεί στη διάσπαση πλαστικών πολυεστέρων. Ωστόσο, η επιτάχυνση της αποδόμησης των πλαστικών στο περιβάλλον θα απαιτούσε τη χρήση βιοδιασπώμενων πλαστικών όπου είναι δυνατόν, αντί να βασιζόμαστε στους μικροοργανισμούς για να διασπάσουν συνθετικά υλικά που παραμένουν για μεγάλο χρονικό διάστημα στο περιβάλλον.

«Το βρίσκω ενθαρρυντικό, επειδή φαίνεται ότι τα βακτήρια μπορούν να προσαρμοστούν στη διάσπαση των πλαστικών πολυεστέρων ταχύτερα απ’ ό,τι περιμέναμε. Για να αντιμετωπίσουμε το περιβαλλοντικό πρόβλημα της ρύπανσης από πλαστικά, εμείς οι άνθρωποι πρέπει να συνεργαστούμε με τις δυνατότητες των μικροοργανισμών. Ιδανικά, αυτό θα σήμαινε να χρησιμοποιούμε μόνο πολυμερή που διαθέτουν βιοχημικά σημεία διάσπασης, όπως οι υδρολύσιμοι εστερικοί δεσμοί σε πολυεστέρες όπως το LCAP ή σε άλλους τύπους βιοπλαστικών», καταλήγουν οι ερευνητές.

Naftemporiki.gr