https://bodybydarwin.com
Slider Image

מדענים מתקדמים עם חיידקים טובים יותר לאכילה מפלסטיק

2021

הביולוג המולקולרי כריסטופר ג'ונסון התלהב במסיבה לא מזמן, ושוחח עם אורח אחר על מחקריו, כפי שעושים מדענים לעתים קרובות. ג'ונסון עובד על פירוק פלסטיק, הנוטים להיות עמידים מאוד לדברים כאלה.

האישה שאיתו שוחח באחראי הכוכבים הספציפי הזה לפני החתונה ענתה שהיא חשה המומה - חסרת סיכוי - בכל הסיטואציה: איך נראה שאנחנו לא יכולים להפסיק להשתמש בפלסטיקה, איך הם מצטופפים במזבלות, איך החלקיקים המיקרווניים שלהם מחלחלים לאוקיאנוסים.

המדהים ג'ונסון חשב. חסר סיכוי .

"אני עולם הרחק מההיבט הזה, " אומר ג'ונסון, ונזכר בתגובתו.

זה בגלל שהפלסטיקה לא קורה רק לג'ונסון. הוא קורה להם. ג'ונסון הוא מדען מחקר במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת, והשנה האחרונה הוא ועמיתיו יצרו אנזים ביולוגי שיכול ללעוס ביעילות דרך פלסטיקה זורקת כמו אלה שמייצרים בקבוקי מים ומכלי סבון. הצוות אופטימי ביכולתו להנדס עולם בו בני האדם ממשיכים להשתמש בחומר המופרז הזה - מבלי שיסתערו עליו באופן מילולי או בפיגורטיבי. בעולם ההוא, כחלק ממערכת מיחזור רחבה וחזקה יותר, מיקרואורגניזמים יעכלו פולימרים לרכיבים הכימיים שלהם, כך שיוכלו להרוויח כמוצרים חדשים וטובים יותר.

נכון לעכשיו, מיחזור לא הופך את הפלסטיק למעשה לכלום, מבחינה כימית: הוא פשוט טוחן את הפסולת לחתיכות קטנות יותר, כמו גריסת נייר לרצועות. לאחר מכן היצרנים משחזרים את החלקים הללו לפלסטיק באיכות נמוכה יותר. במחזור ביולוגי, כמו שקוראים לזה בשדה, אורגניזמים אוכלים מפלסטיק מחזירים לך את אבני הבניין ליצירת חומרים חדשים, ובסופו של דבר, סחורות.

הקבוצה של ג'ונסון, במיוחד, תפסה את דמיונו של הציבור מכיוון שגילויו היה מקרי והפך לסיפור נהדר. הספקנים חששו שהמאמץ עלול להחמיר את כוחם של שומרי GMO נוכלים עלולים להתחיל לזלזל בפולימרים הלא נכונים. כמו לוח המחוונים של המכונית שלך. כשאתה נוהג. זה אפשרות מרוחקת ביותר אך לא טועה לחלוטין.

אחרי הכל, כל זבל הפלסטיק הזה הוא תוצאה בלתי מכוונת. החומר הסינטטי החל, בחלקו, כתחליף לשנהב להצלת אלפים מהטבח. אבל החידוש הזה הביא אותנו גם למקום בו אנו נמצאים היום: המום וחסר תקווה. כמות הפלסטיק שבני האדם מייצרים בכל שנה יותר מ -300 מיליוני טונות שוקל פי חמש מכמותם של כל האנשים המרכיבים אותם.

אנו משתמשים ברוב הפולימרים המודרניים שלנו פעם אחת בלבד: בבקבוקי מים, בקבוקי שמפו, בקבוקי חלב, שקיות צ'יפס, שקיות מכולת, מערבבי קפה. בכל שנה כמעט 9 מיליון טונות מההמלטה מסתיימים בחוף הים. בטח שמעת על תיקון האשפה הגדול של האוקיאנוס השקט: אזור במחצית הצפונית של האוקיאנוס בו זרמים מסתחררים מאגדים את כל המסרבים. אבל האם ידעת שעד 2050, הים הגבוה יכול לספורט יותר פלסטיק מאשר דגים?

הציוויליזציה אינה עושה עבודה נהדרת לנקות אחרי עצמה, בחלקה, ג'ונסון וצוותו מאמינים, מכיוון שמעולם לא היה תמריץ כלכלי גדול לכך. אבל אם אתה יכול לקחת את אבני הבניין הפלסטיות האלה ולהרכיב אותם למשהו בעל ערך רב יותר מאשר המקוריות, כמו חלקי רכב, טורבינות רוח, או אפילו גלשנים אתה יכול לשנות את מחזור החשבון. חברות יכולות לעשות טוב למען עצמן על ידי עשיית טוב עם העולם.

חלק גדול מצוות האנזים המקרי עובד במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת בגולדן, קולורדו. הקמפוס נדחק למרגלות הרי ההרוקי, המשתרע במהירות מתוך האין לפסגות 14, 000 רגל. פאנלים סולאריים תופסים את גגות כמעט כל הבניינים. בתוך בניין המעבדה לבדיקת שדה, שם הקבוצה עובדת, פועל ספקטרום ROYGBIV של צינורות שירות לאורך תקרות וקירות. מעבדות מלאות במקררים, בחממות ובמיקרוסקופים עם עוצמה גבוהה זמזומות מאחורי הכניסה לגישה לכרטיסים. ובחדר ישיבות קטן בקומת הקרקע, מטריצה ​​של תאורה אחורית של מסכים ארבעה מדענים.

הם, יחד עם עמיתים בפלורידה, אנגליה וברזיל, מהווים סוג של צוות חלומות למחקר המיחזור הביולוגי הספציפי הזה: ניקולס רורר יוצר פולימרים. גרג בקהאם מנסה להבין כיצד כימיקלים חיידקיים ופטרתיים מפרקים תרכובות כמו תאית, המרכיב העיקרי בקירות תא צמחים וירקות רבים. Bryon Donohoe חוקר כיצד תאים עם אנזימים אוכלים פולימרים עובדים. ג'ונסון מהנדס סוגים חדשים של תאים המפרישים אנזימים אלו. תחומי ההתמחות הללו הם כל אחד מהמפתח לבדיקת האופן בו חיידקים מפנקים את התיאבון לפלסטיק - וכיצד ניתן לתפעל אותם כמאכלים טובים יותר.

על אחד המסכים מאחוריהם מחליק אנזים לאורך תקריב של תאית, לועסת קווצות בודדות ויורקת אותם כגושי סוכר - חוויית האכילה האולטימטיבית. הדמיה זו, כך אומרים המדענים, היא באותה צורה שבה פולימר פוגש את ההתאמה שלו.

הצוות נודע לראשונה על הרעיון כאשר גיליון מגזין " Science " במרץ 2016 הביא חדשות כי החוקרים ביפן גילו מין חיידקים מוזר בדגימות אדמה ליד מפעל למחזור בקבוקים בעיר סקאי. זה יכול לחתור דרך פוליאתילן טרפטלטה, הידוע בכינויו PET, אשר היצרנים משתמשים בו באופן נרחב לייצור בקבוקי פלסטיק ומכולות. צוות בראשות קנג'י מיאמוטו, ביו-מדע מאוניברסיטת קיו, מצא כי האורגניזם פיזר אנזים, אותו כינו PETase, שהפשיט את הפולימר לחתיכות כימיות. הם קראו לאורגניזם המדהים הזה אידיונלה סאקאינסיס על שם עיר הולדתה. ובכל זאת, לא להפיץ את אידיונלה אבל זה לא עבד מספיק מהר: בהינתן שישה שבועות וסופות טרופיות, זה יכול היה לאכול דרך סרט של PET. לא בדיוק הדברים של מפעלי מיחזור יעילים. בנוסף, כדי לגרום לו לגדול נדרש טיפול והאכלה זהיר.

זמן קצר לאחר הופעת המאמר בכתב העת, מצא את עצמו בקהאם באנגליה, שותה בירה עם ג'ון מקגאהן מאוניברסיטת פורטסמות ', עמית במחקר תאית ומומחה למיפוי מבנים של אנזימים זעירים. הם התחילו לעשות סיעור מוחות כיצד לשלב כוחות כדי להבין טוב יותר כיצד PETase מעכל את PET. אחרי הכל, עבודתם כבר בדקה כיצד הטבע משפיל את הטבעי - למשל, כיצד חיידקים ופטריות משתמשים באנזימים כדי לעכל תאית. אולי העבודה הזו יכולה לעזור להם להבין כיצד הטבעי מפרק את הסינטטי.

לאחר ליטר סיעור המוחות, גייסו השניים את ג'ונסון, דונו-ו-רור, וכן עמית אחר בפלורידה, לי וודקוק, שדגמי המחשבים המתוחכמים שלו מדמים את האופן שבו כימיקלים סלולריים עובדים. ואז, הם התחילו.

ראשית, הצוות היה צריך להבין כיצד PETase מפרק את הפלסטיק שנבחר. המולקולות בפולימר דומות לבני לגו מחוברות שיכולות פשוט להתפרק. עבור PET, PETase הוא המושך. אך כדי להבין כיצד PETase יכול לתפוס ולפנות את מולקולות הפלסטיק, הצוות היה צריך מספיק מהאנזים בכדי שיוכל למפות אותו.

שם הגיעה המומחיות הסלולרית של ג'ונסון. בעבודה עם חברה חיצונית הם סינתזו את הגן שמייצר PETase, כך שאפשר יהיה להחליק אותו מאוחר יותר ל- E. coli, אורגניזם חד-תאי שממהר וקל לגדל אותו במעבדה. הוא שלח את הקוד הגנטי על פני הבריכה למעבדה של מקגיהן. שם, היה לרעל המזון המוטנטי קצת טינה והחל לשאוב את PETase.

מקגאהן חילק את האנזים PETase למתקן עם מיקרוסקופ רנטגן סופר עוצמתי המשתמש באור חזק פי 10 מיליארד מהשמש כדי לבדוק בדיקות וליצור תמונות בקנה מידה אטומי. בתוך המיקרוסקופ האקזוטי, מגנטים מקוררים-על הונחו את קרני הרנטגן עד שהמדענים יכלו לראות את PETase עצמו - ולא רק את השפעותיו הגוברות.

האנזים, לעין הבלתי מאומנת, דומה לילד האהוב של ספוג ים ומוח אנושי. לחלופין, אם אתה ביולוג מזל מאוד, הוא נראה כמעט בדיוק כמו קוטינאז, מושך הקוצין, פולימר שעווה שעוטה צמחים רבים. לקוטינאז יש בור צר בצורת U שנחתך לחתך בדיוק כך. ל- PETase יש את אותו U, פשוט רחב יותר, דומה לקוטינאז במראה של בית כיף. ה- PETase U חותך לתוך PET, כמו שני הצדדים של שרשרת BFF.

זוהי מחשבה של בקהאם ללא המוח באותה תקופה: האנזים, כך טען, התפתח בתחילה לאכול קוצין, וברור שהוא התאים לנוכחות כל כך הרבה זבל כדי לקבל אוכל אהוב חדש.

הצורה, הפונקציה והרעיון האבולוציוני המצוי בידם, הציג הצוות את עבודתם לפרסום באוקטובר 2017. אבל סיפור המקור - החלק האהוב ביותר שלהם - היה בעייתי. "אחד הסוקרים שלנו אמר 'לא, אתה צריך להראות את זה'", נזכר בקהאם.

זו תהיה פעילות שטויות שהוא דמיין. זה נראה כל כך ברור שקאטינאז דרווין דרכה את PETase. אבל כדי להראות איך זה קרה, הם יצטרכו להחזיר את השעון האבולוציוני, לכווץ את ה- PETase U הרחב לקוצץ U השקט, ובתהליך, הם חשבו, מה שהפך את זה לא מסוגל, או לפחות פחות מסוגל, ללעוס פלסטיק. ואז הם היו הופכים את המסלול, הופכים את הקוטינאז חזרה ל- PETase, ומראים כיצד האחד הפך לשני.

בקהאם יצטרך לאכול (ולעכל) את המילים האלה.

———

הצוות החל את המחצית הראשונה של הניסוי בהפיכת PETase חזרה לקוטינאז, בסוף 2017. ראשית, הם צייצו את ה- DNA שהופך את האנזים PETase. באופן ספציפי, הם השתנו שתי חומצות אמינו, כך שתחליפיהם נצבטו ב- U ויצרו אנזים שהיה קרוב יותר לקוטינאז. מצידו, רורר - הבחור הפולימרי - החל לקצור בקבוקים מקולגות, כולל מועדפים על הצוות כמו דיאט פפסי והדיאטה ד״ר פפר. (כיום, הפסולת עדיין קו את חלקו העליון של התא שלו.) הוא השתמש בבודק חור רגיל למשרד כדי לגלוש מעגלים. לאחר מכן הוא הציב את אלה בתוך מגורים קרובים עם גרסאות של האנזים שהשתנה, בציפייה שהוא יחזור למצוא שהוא מתקדם מינימלי, אם בכלל.

אבל זה לא מה שקרה. כשרורר חזר ארבעה ימים לאחר מכן, הוא גילה שהאנזים שנפרץ לא רק עובד, אלא שהוא אוכל כשלושים אחוז יותר מאשר PETase ממפעל המיחזור של סקאי. חברי הצוות החלו לפקפק בעצמם. אולי סימנתי לא נכון את הדגימות שרויר חשב. Donohoe, המומחה לפירוק תאים, חשד כי ערבב את הדגימות. הם חזרו על הניסוי פעמיים נוספות אך המשיכו להגיע לאותה תוצאה: לאנזים החדש היה תיאבון טוב. Donohoe נזכר שאני כמו 'אני מניח שאנחנו צריכים להאמין בזה, למרות שאני לא יודע איך'. "

התוצאה עדיין הותירה פתוחה אם PETase התחלף מקוטינאז ב- oh, כמובן . אך התוצאה הבלתי צפויה היא עדיין חדשות טובות: פירוש הדבר שהם יכולים לשפר את מה שהאבולוציה כבר חלה. Nature לא מצליחה בהכרח את הפיתרון האולטימטיבי, בקהאם, המהנדס הכימי, אומר.

כאשר הודיעו על התגלית באפריל 2018, אנשים נצמדו למצב הדיסק שלה. ג'ון מקגאהן זכה בפרס Goop ממותג הבריאות הפסאוד מדעי Gwyneth Paltrow. הוא ניסה לדחות זאת, אך אין שום דחייה של גווינת 'פאלטרו. אבל עבור הקבוצה הזו, היות המפורסם לא היה מספיק. וגם שיפור PETase קצת לא היה. .

אידיאונלה סאקאינסיס מתברר, רחוקה מהאורגניזם היחיד שיכול להשתמש בפסולת פלסטיק כדלק. המהנדסים הגנטיים ג'ונסון, כנראה, החיידקים מתפתחים לאכול דברים מסביבם. ביולוגים יודעים מזה עשרות שנים שאנזימים קיימים, כמו האסטרזות שנקראו כך שמיקרובים ופטריות יורקים, יכולים לפרק PET וניילון.

פלסטיקה שצפה באגם ציריך נושאת ארבעה אורגניזמים המוכשרים לאכילת פוליאוריתן. באוקיינוס ​​גילו החוקרים בהודו מינים חיידקיים שיכולים לבזות אלכוהול פוליוויניל, שמאדים נייר. קבוצה אחרת מצאה פטרייה שהקיצינזה שלה גם מכסה את PET. אף אחד מהם לא יכול לחגוג מספיק מהר בכדי להועיל לתעשייה. עם יותר מ -300 מיליון טונות של פלסטיק המיוצר מדי שנה, אורגניזמים יצטרכו לעבור סביב 906, 000 טון בכל הימים המסתיימים ב- כדי לבצע את העבודה. לוקח ארבעה ימים להמיס את פני השטח של בקבוק דיאטה פלפל דיאט לא מספיק מהיר.

בחיפוש עצמו אחר אוכלי פולימרים טובים יותר, צוות החלומות גייס לאחרונה שחקנים חדשים מאוניברסיטת מונטנה סטייט, החוקרים קיצוניות הרותחת בבריכות הצבועות של ילוסטון. סלפי- תיירים חוטפים זורקים הרבה זבל לאותם מעיינות חמים. בטמפרטורות כמו אלה לפעמים יש יותר מ -400 מעלות נמס פלסטי.

עבור חיידק, זבוב זבל מחומם יתר על המידה זה כמו לקחת מהירות: הכל קורה הרבה יותר מהר. אם המדענים יכולים למצוא קיצוני, או מהנדס כזה, שאוהב את זה חם ואוכל PET, אז הם הם צעד אחד קרוב יותר לתהליך שעובד מספיק מהר כדי להיות שימושי בעולם האמיתי.

בתרחיש זה, מפעל מיחזור עתידי היה מחמם או מקובץ את הפלסטיק, ואז זורק אותו בסיר גדול עם מים חמים ומפזר פנימה איזה PETase (או אנזים רעב אחר). זה יפיק מרק של רכיבים פוליסיללביים: חומצה טרפתלית ואתילן גליקול, הדברים שחברות יכולות להסתובב בהם לפולימרים חזקים בעלי ערך גבוה יותר.

אולם ראשית, הם זקוקים לאנזים טוב יותר. "החיים ימצאו דרך שבקהאם אומר, מחייך כשהוא מפרפרזה על פארק היורה . עם זאת, הטבע יכול להשתמש באסיסטנט. אז הצוות מתחיל בניצול הסוד של האבולוציה: מוטציה אקראית. לפעמים קוד גנטי חדש הופך את האורגניזם להתאים יותר לסביבתו, המיקרוב חי כדי להעביר את הזכיה הזו לצאצאיו, אבל במעבדה אנו יכולים להאיץ את האבולוציה על ידי, למשל, להאכיל את אוכלת הפלסטיקה המיוחלת רק לחיות מחמד. אם הם לא ישבו לארוחת ערב, הם גוועים ברעב.

הצוות מנסה גם ליצור חיים חדשים על ידי הזרקת הגן PETase לחיידקים שהם פחות בררניים מאידיונלה . בקהאם מרים נייר שלא פורסם ומגלול לתמונות לפני ואחרי. אחרי ארבעה ימים במבחנה עם מוטציה חדשה, מעט פלסטיק אגרוף חור הוא מה שהוא מכנה "תערובת מרוכזת של שטויות. שטויות כאן, חלקים מפולסים מעוסים.

המאמץ, במילים אחרות, עובד. כאשר בקהאם מתבונן בתמונות שלו, הוא צוחק ונזכר בקישור שאנשים שלחו אליו כשיצא העיתון הראשון של הקבוצה. זה הצביע על ספר משנת 1971 בשם מוטאנט 59: אוכלי הפלסטיק . בסיפור, וירוס המתמוסס פולימרים משתלט - הרג חללית, התרסקות מטוסים, שקעת צוללות, ובדרך כלל גורם לכאוס בלתי נשלט, מכיוון שהוא הורס לכאורה את כל הפלסטיק שבעולם.

חוקרים לא בדיוניים מתכננים שהאורגניזמים המהונדסים שלהם ישארו במעבדה, בצינורות ובסופו של דבר בתהליכים תעשייתיים. אורגניזמים כאלה אולי אפילו קיימים מבחוץ, לאחר שהתפתחו בדרך המיושנת. זכרו, בעולם יש חיידקים שאוכלים המון דברים אחרים שאנחנו אוהבים: מתכת, לחם, גבינה, העור שלנו. וכולנו עדיין כאן, מכרסמים לחם וגבינה, יושבים על כסאות מתכת. בהתחשב בראשית דרכה של אורח חינם, החיידקים עדיין לא הצליחו להשתלט. אז, אלא אם הטבע משתפר להפליא בצורה מהירה להפליא (לקח משהו כמו 50 שנה כדי להפוך את הגרסה הלא יעילה של PETase), או ששחקן סורר יצליח לבצע הפיכה, שום בהמה חתיכה לא תגרום לקיאק וולמארט שלך בזמן הקרוב.

בקהאם אכן נותן אמון רב יותר לדאגה לפחמן, שיורק במהלך העיכול, הופך בסופו של דבר לפחמן דו חמצני, גז חממה התורם לשינויי אקלים. אך כל תוספת תתגמד בגזים מתעשיות אחרות. הקבוצה שלו לא רוצה עולם עם ביו מחמם וגם לא ללא פלסטיק.

במקום זאת, הם שואפים ליצור תמריץ כלכלי אמיתי להשבת רוב הפולימרים. נכון לעכשיו, מה שיוצא בסוף המחזור הוא רק PET עם קשרים חלשים יותר: מאתגר להפיק ממנו בקבוק נוסף, והוא שווה בערך 75 אחוז ממה שהיה הפלסטיק המקורי. זה נכנס לטקסטיל או שטיחים. אלה לרוב מסתיימות במזבלות.

עם זאת, פירוק פלסטיק ביולוגי מייצר רכיבים שיכולים להפוך למבשרים לחומרים יקרים כמו קבלר, שמוכרים פי שניים-שלושה מאשר PET ממוחזר ונכנסים למוצרים עמידים בפני לחץ כמו סנובורד. חומרים אלה נותנים לחברות סיבה מבוססת מזומן להחזרת פלסטיק. מחדשים עשויים אפילו להשתמש בהם לבניית מטוסים מעופפים, מכוניות יעילות יותר ודברים קשוחים וקלילים שעוד לא חשבנו עליהם. דברים שאולי עושים את שלו כדי להפחית את פליטת גזי החממה.

העולם הזה לא קיים מחר, או בשנה הבאה. אבל זה עתיד הנראה לעין, המסונתז דרך המיקרובים של צוות החלום, או כאלה אחרים, וכל מה שהטבע מביא לשולחן הפיקניק הפולימרי. אם הם יצליחו, נוכל להתקיים בדו-קיום עם פלסטיקה, ולא על גבי ערימה מהם.

מאמר זה פורסם במקור בקיץ 2019 Make It האחרון של מדע פופולרי.

מדענים מנסים להבין אילו חיידקים הקימו את תחנת החלל שלנו

מדענים מנסים להבין אילו חיידקים הקימו את תחנת החלל שלנו

כיצד לבנות מערכת שמע לרכב חזקה מספיק בכדי לפוצץ את שיערך לאחור

כיצד לבנות מערכת שמע לרכב חזקה מספיק בכדי לפוצץ את שיערך לאחור

מה הלאה למלחמת המל"טים?

מה הלאה למלחמת המל"טים?