کشف آنزیم پک-من؛ راهی نوین در مبارزه با آلودگی پلاستیک
دانشمندان آنزیم پک-من را کشف کرده‌اند که به باکتری‌ها توانایی تجزیه انواع خاصی از پلاستیک را می‌دهد. این یافته می‌تواند به مبارزه با آلودگی پلاستیکی کمک کند.
به گزارش فرتاک نیوز؛ آلودگی پلاستیک یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های زیست‌محیطی به شمار می‌آید. با انباشت پلاستیک در اقیانوس‌ها، توده‌های زباله به وجود می‌آیند که حیات دریایی را به خطر می‌اندازند. بیشتر پلاستیک‌ها به دلیل مقاومت میکروارگانیسم‌ها در هضم پلیمرهای مصنوعی، به آرامی تجزیه می‌شوند و به ذرات ریزتری مانند میکروپلاستیک‌ها تقسیم می‌شوند.
اما باکتری‌ها و میکروارگانیسم‌ها می‌توانند بر سطح پلاستیک‌ها تسلط یابند و جوامعی به نام بیوفیلم‌ها ایجاد کنند که به اکوسیستم میکروبی "پلاستیسفر" معروف است.
پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر در عرض یک سال به طور کامل تجزیه می‌شوند، در حالی که پلاستیک‌های معمولی این ویژگی را ندارند.
محققان دانشگاه کنستانس آنزیمی غیرمعمول پیدا کرده‌اند که نشان می‌دهد چگونه برخی از باکتری‌ها به تجزیه پلاستیک‌های خاص کمک می‌کنند. این آنزیم می‌تواند پلی‌استرهای خاص و پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر را هضم کند و همچنین پنی‌سیلین را تجزیه کند، که ممکن است نشان‌دهنده ارتباط با مقاومت آنتی‌بیوتیکی باشد.
این آنزیم به نام «آنزیم پک-من» (Pac-Man) نامیده می‌شود، زیرا ساختار مولکولی‌اش دارای دهانه‌ای عریض است که امکان انجام واکنش‌های شیمیایی را فراهم می‌کند. این کشف می‌تواند نشان‌دهنده این باشد که باکتری‌ها ممکن است سریع‌تر از حد تصور به تجزیه پلاستیک‌ها اقدام کنند.
با این حال، این یافته همچنین محدودیتی را نشان می‌دهد. برای اینکه میکروارگانیسم‌ها در کاهش آلودگی پلاستیک مؤثر باشند، نیاز است که محصولات پلاستیکی بیشتری از مواد زیست‌تخریب‌پذیر تولید شوند که میکروب‌ها قادر به تجزیه آنها باشند.
آزمایش چگونگی تجزیه پلاستیک‌های زیستی توسط باکتری‌ها
برای بررسی چگونگی هضم پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر، هری لرنر و دیوید شلهک، زیست‌شناسان دانشگاه کنستانس، کل فرآیند تجزیه میکروبی را مطالعه کردند. آنها می‌خواستند مشخص کنند که کدام میکروارگانیسم‌ها مسئول تجزیه هستند و چه مکانیسم‌های بیولوژیکی به آنها امکان این کار را می‌دهد.
محققان ترکیب جوامع میکروبی را بررسی کرده و اطلاعات ژنتیکی آنها (متاژنوم) را تحلیل کردند. این رویکرد به آنها اجازه داد تا ژن‌های مرتبط با تولید آنزیم‌های تجزیه‌کننده پلیمرهای پلاستیکی را شناسایی کنند.
آزمایش‌ها بر روی پلی‌استرهای آلیفاتیک زنجیره بلند متمرکز بود. این مواد حاوی پیوندهای شیمیایی هستند که میکروارگانیسم‌ها می‌توانند آنها را تجزیه کنند، در حالی که ساختارهای مقاوم‌تر در بسیاری از پلاستیک‌های معمولی وجود دارد.
این تیم برای بررسی رفتار بیوپلاستیک‌ها، نمونه‌هایی را در زیر سطح خاک جنگل در باغ گیاه‌شناسی دانشگاه قرار دادند.
هری لرنر گفت: "ما قطعات کوچکی از فیلم بیوپلاستیک LCAP را در لایه هوموس بالایی دفن کردیم. این لایه جایی است که تجزیه مواد طبیعی، مانند سلولز و کوتین، رخ می‌دهد."
این قسمت از خاک غنی از مواد آلی در حال تجزیه است و میکروارگانیسم‌ها نقش مهمی در بازیافت مواد مغذی ایفا می‌کنند.
پلاستیک‌های زیستی در عرض حدود یک سال ناپدید شدند
دانشمندان در کنار آزمایش‌های میدانی، آزمایش‌های آزمایشگاهی را با خاک جمع‌آوری‌شده از همان جنگل انجام دادند. آنها پلاستیک‌های زیستی را با خاک مخلوط کرده و فعالیت میکروبی را تحت نظر گرفتند.
یکی از معیارهای اصلی، میزان دی‌اکسید کربن آزاد شده از نمونه‌ها بود. میکروارگانیسم‌ها با مصرف مواد آلی و متابولیسم آنها، دی‌اکسید کربن تولید می‌کنند. ردیابی این گاز به محققان کمک کرد تا فعالیت میکروب‌ها را در تجزیه پلاستیک‌ها اندازه‌گیری کنند.
لایه‌های پلاستیکی به مدت یک سال در خاک جنگل باقی ماندند و این فرصت را به محققان داد تا تجزیه را در شرایط طبیعی با آزمایش‌های کنترل‌شده مقایسه کنند.
برای ارزیابی نتایج، سلولز، دیگر پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر، پلی‌اتیلن معمولی و نمونه‌های خاک بدون مواد افزودنی نیز مورد آزمایش قرار گرفتند.
لرنر افزود: «ما دریافتیم که تمام مواد بیوپلاستیکی تقریباً در عرض ۲۵۰ تا ۳۳۰ روز کاملاً تجزیه شدند. در حالی که هیچ تجزیه‌ای برای HDPE مشاهده نشد.»
تفاوت قابل توجهی میان تجزیه پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر و پلی‌اتیلن وجود داشت. این نتایج نشان می‌دهد که چرا ترکیب شیمیایی پلاستیک اهمیت دارد. برخی پلیمرها دارای پیوندهایی هستند که میکروبی‌ها می‌توانند به آنها حمله کنند، در حالی که برخی دیگر مانند پلی‌اتیلن معمولی، در برابر تجزیه بیولوژیکی مقاوم‌تر هستند.
حفره‌های مرموز نشان می‌دهند که چگونه باکتری‌ها پلاستیک می‌خورند
زمانی که محققان فیلم‌های پلاستیکی را از خاک جنگل بازیابی کردند، سوراخ‌های ریز متعددی را یافتند که با ابعاد و شکل یک سلول باکتریایی مطابقت داشتند. این الگو نشان می‌دهد که باکتری‌ها تنها به اتصال به پلاستیک بسنده نکرده‌اند، بلکه در حال نفوذ به خود ماده نیز بودند.
لرنر بیان کرد: "ما فرض کردیم که باکتری‌ها با دپلیمرازهای پلاستیکی پوشانده شده‌اند که به سطوح سلولی آنها متصل شده‌اند. این امر به آنها امکان می‌دهد تا به داخل ماده نفوذ کرده و سوراخ‌های میکروسکوپی به جا بگذارند."
دپلیمرازها آنزیم‌هایی هستند که مولکول‌های بزرگ را به واحدهای شیمیایی کوچکتر تجزیه می‌کنند. اگر این آنزیم‌ها به سطح باکتری متصل شوند، می‌توانند به میکروارگانیسم اجازه دهند تا مواد را در تماس نزدیک با آن هضم کند.
دانشمندان آنزیم «پک-من» پلاستیک‌خوار را شناسایی کردند
برای درک سازوکار زیستی این رفتار غیرمعمول، لرنر DNA را از کل جامعه میکروارگانیسم‌های موجود در نمونه‌های خاک استخراج کرد و سپس مواد ژنتیکی را توالی‌یابی کرد. او داده‌های گسترده را تحلیل کرد تا مشخص کند کدام میکروب‌ها و ژن‌ها با تجزیه بیوپلاستیک‌ها مرتبط هستند.
یک ژن خاص در خاک جنگلی حاوی LCAP غنی شده است که نشان می‌دهد می‌تواند نقش مهمی در تجزیه پلی‌استرهای زیست‌تخریب‌پذیر ایفا کند.
تجزیه و تحلیل بیشتر نشان می‌دهد که این ژن "استراز" تولید می‌کند که به تجزیه پیوندهای شیمیایی خاصی در استرها کمک می‌کند. این پیوندها در مواد طبیعی و همچنین در پلی‌استرهای زیست‌تخریب‌پذیر وجود دارند.
این آنزیم قابل توجه، به‌ویژه به دلیل نحوه قرارگیری‌اش بر روی سلول‌های باکتریایی، جالب توجه است. دستورالعمل‌های ژنتیکی آن شامل یک سیگنال ترشحی است که آنزیم را به خارج از سلول هدایت می‌کند و با یک لنگر لیپیدی که به غشای سلولی متصل می‌شود، همراه است.
این ساختار به آنزیم اجازه می‌دهد تا حین حمله به مولکول‌های پلاستیکی در سطح باکتری باقی بماند. جایگاه فعال غیرمعمول آن نیز فضایی برای تعامل آنزیم با زنجیره‌های پلیمری ایجاد می‌کند.
ارتباط شگفت‌انگیز با مقاومت آنتی‌بیوتیکی
این کشف زمانی جذاب‌تر می‌شود که ساختار مولکولی این آنزیم بررسی شود. اگرچه این آنزیم مشابه استرازهاست که به شکستن پیوندهای استری معروف‌اند، اما شباهت‌هایی نیز با خانواده مهم دیگری از آنزیم‌های باکتریایی، به نام بتا-لاکتامازها، دارد.
این آنزیم‌ها به دلیل نقششان در مقاومت آنتی‌بیوتیکی شناخته می‌شوند. برخی باکتری‌ها بتا-لاکتامازهایی تولید می‌کنند که با شکستن ساختار شیمیایی آنتی‌بیوتیک‌ها، مقاومت ایجاد می‌کنند.
لرنر افزود: "ساختار آن شبیه به استرازها و همچنین به بتا-لاکتامازهاست که می‌تواند با شکستن حلقه بتا-لاکتام، باکتری‌ها را در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم کند."
آزمایش‌های آزمایشگاهی تأیید کردند که آنزیم جدید به هر دو نوع واکنش شیمیایی پاسخ می‌دهد.
این آنزیم می‌تواند زنجیره‌های پلی‌استر را به بلوک‌های سازنده آنها که به عنوان مونومر شناخته می‌شوند، تجزیه کرده و در عین حال پنی‌سیلین را نیز تجزیه کند. این فعالیت دوگانه به‌ویژه تعجب‌آور است، زیرا تخریب پلاستیک و تجزیه آنتی‌بیوتیک‌ها معمولاً به‌عنوان عملکردهای بیولوژیکی جداگانه در نظر گرفته می‌شوند.
این یافته این احتمال را افزایش می‌دهد که برخی از آنزیم‌های دخیل در تجزیه پلاستیک ممکن است در مقاومت آنتی‌بیوتیکی نیز نقش داشته باشند. با این حال، اثبات اینکه یک آنزیم می‌تواند پنی‌سیلین را در آزمایشگاه تجزیه کند، به معنای این نیست که مقاومت آنتی‌بیوتیکی را برای باکتری‌های زنده فراهم می‌آورد.
آیا باکتری‌های پلاستیک‌خوار می‌توانند به حل آلودگی پلاستیک کمک کنند؟
این کشف همچنین سؤالی مهم را در مورد سرعت سازگاری میکروارگانیسم‌ها با مواد مصنوعی به وجود می‌آورد. در طول تاریخ زمین، آلودگی پلاستیک وجود نداشته است. میکروارگانیسم‌ها آنزیم‌هایی برای هضم مواد طبیعی تکامل داده‌اند.
پلاستیک‌های مدرن منابع جدیدی از کربن را به محیط زیست وارد کرده‌اند، اما بسیاری از این مواد از نظر شیمیایی برای میکروب‌ها غیرقابل دسترسی هستند.
آنزیم پک-من نشان می‌دهد که این مانع ممکن است برای همه انواع پلاستیک وجود نداشته باشد. به نظر می‌رسد برخی از باکتری‌ها قادر به استفاده از آنزیم‌های تخصصی برای تجزیه پلی‌استرهای زیست‌تخریب‌پذیر هستند.
این یافته‌ها می‌تواند سرنخی امیدوارکننده برای بهبود تجزیه بیولوژیکی پلاستیک باشد. همچنین نشان می‌دهد که جوامع میکروبی ممکن است با پلیمرهای خاصی سریع‌تر از آنچه انتظار می‌رفت، سازگار شوند.
با این حال، نتایج به این معنی نیست که باکتری‌ها به‌طور ناگهانی قادر به مصرف پلاستیک‌های عظیم موجود در محیط زیست خواهند بود. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که پلی‌اتیلن معمولی تقریباً بدون تغییر باقی مانده است، در حالی که پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر تجزیه شده‌اند.
محققان بر اهمیت طراحی موادی تأکید می‌کنند که میکروارگانیسم‌ها بتوانند به‌راحتی آنها را هضم کنند. برای مقابله با مشکل آلودگی پلاستیک، انسان‌ها باید با قابلیت‌های میکروب‌ها همکاری کنند و از پلیمرهایی با ساختارهای شیمیایی مناسب استفاده کنند که تجزیه بیولوژیکی را امکان‌پذیر کند.