lovesouthernsocial.com

Otkriće međunarodne grupe naučnika, koja uključuje dva Brazilca, može pomoći da se zagađenje uzrokovano materijalom svede na minimum

Međunarodna grupa naučnika, u kojoj učestvuju dva Brazilca sa Univerziteta Kampinas (Unicamp), uspela je da poboljša performanse PETaze, enzima sposobnog da se hrani polietilen tereftalatom, PET plastikom. Nakon što je PETaza otkrivena u novoj vrsti bakterija 2016. godine, grupa istraživača je radila na dobijanju strukture enzima i razumevanju kako on funkcioniše. U tom procesu, slučajno, na kraju su stvorili mutaciju enzima koji ima još veći afinitet za PET - odnosno veći potencijal za razgradnju plastike.

Rad ima ogroman potencijal za praktičnu upotrebu, jer se procenjuje da se svake godine u okeane ispusti između 4,8 i 12,7 miliona tona plastike - broj koji će samo rasti. Plastika, koja se gomila i na najudaljenijim plažama na planeti, toliko se koristi upravo zbog otpornosti na degradaciju, koja najviše ugrožava životnu sredinu. Kada se odbaci, PET boca, na primer, može ostati u životnoj sredini 800 godina - pored rastućeg i alarmantnog problema mikroplastike.

• Shvatite uticaj plastičnog otpada na životnu sredinu na lanac ishrane
• Kakvo je poreklo plastike koja zagađuje okeane?

Uz sve ovo, lako je razumeti veliko interesovanje koje je izazvalo otkriće enzima sposobnog da vari polietilen tereftalat. Ovaj enzim, nazvan PETase, sada je povećao svoju sposobnost razgradnje plastike. Novina je opisana u članku objavljenom u Zbornik radova Nacionalne akademije nauka Sjedinjenih Američkih Država (PNAS).

U istraživanju su učestvovala dva istraživača sa Instituta za hemiju Državnog univerziteta Kampinas (IQ-Unicamp), u saradnji sa istraživačima iz Ujedinjenog Kraljevstva (Univerzitet u Portsmutu) i Sjedinjenih Država (Nacionalna laboratorija za obnovljivu energiju). Oni su postdoktorand Rodrigo Leandro Silveira i njegov supervizor, glavni profesor i dekan istraživanja u Unicamp Munir Salomão Skaf.

„Uglavnom se koristi u proizvodnji flaša za piće, polietilen tereftalat se takođe široko koristi u proizvodnji odeće, tepiha i drugih predmeta. U našem istraživanju smo okarakterisali trodimenzionalnu strukturu enzima sposobnog za varenje ove plastike, konstruisali smo je, povećavajući njenu moć razgradnje, i pokazali smo da je aktivan i u polietilen-2,5-furanedikarboksilatu (PEF), a zamena za PET koji proizvodi od obnovljivih sirovina“, rekao je Silveira za agenciju FAPESP.

Interesovanje za PETase pojavilo se 2016. godine, kada je grupa japanskih istraživača, predvođena Šosukeom Jošidom, identifikovala novu vrstu bakterija, Ideonella sakaiensis, u stanju da koristi polietilen tereftalat kao izvor ugljenika i energije – drugim rečima, može da se hrani PET-om. To je, do danas, jedini poznati organizam sa ovom sposobnošću. Bukvalno raste na PET-u.

„Pored identifikacije Ideonella sakaiensis, Japanci su otkrili da proizvodi dva enzima koji se luče u okolinu. Jedan od izlučenih enzima bila je upravo PETaza. Pošto ima određeni stepen kristalnosti, PET je polimer koji je veoma teško razgraditi. Tehnički koristimo izraz 'preračunljivost' da imenujemo osobinu koju određeni čvrsto upakovani polimeri moraju da se odupru degradaciji. PET je jedan od njih. Ali PETaza ga napada i razlaže na male jedinice - mono(2-hidroksietil) tereftalnu kiselinu (MHET). MHET jedinice se zatim pretvaraju u tereftalnu kiselinu [pomoću drugog enzima] i apsorbuju i metabolišu od strane bakterija“, rekao je Silveira.

Sva poznata živa bića koriste biomolekule za preživljavanje. Sve osim Ideonella sakaiensis, koja uspeva da koristi sintetički molekul, proizveden od strane ljudi. To znači da je ova bakterija rezultat vrlo nedavnog evolucionog procesa koji se odvijao tokom poslednjih nekoliko decenija. Uspeo je da se prilagodi polimeru koji je razvijen početkom 1940-ih i počeo da se koristi u industrijskim razmerama tek 1970-ih. Za to je PETaza ključni deo.

„PETaza radi najteži deo, a to je razbijanje kristalne strukture i depolimerizacija PET-a u MHET. Rad drugog enzima, onog koji transformiše MHET u tereftalnu kiselinu, već je mnogo jednostavniji, pošto njegov supstrat čine monomeri kojima enzim ima lak pristup jer su dispergovani u reakcionom medijumu. Stoga su se studije fokusirale na PETazu“, objasnio je Silveira.

Sledeći korak je bio detaljno proučavanje PETaze i ovo je bio doprinos novog istraživanja. „Naš fokus je bio da otkrijemo šta je dalo PETazi sposobnost da uradi nešto što drugi enzimi nisu bili u stanju da urade veoma efikasno. Za to je prvi korak bio da se dobije trodimenzionalna struktura ovog proteina“, rekao je on.

„Dobijanje trodimenzionalne strukture znači pronalaženje koordinata x, y i z svakog od hiljada atoma koji čine makromolekul. Naše britanske kolege su uradile ovaj posao koristeći dobro poznatu i široko korišćenu tehniku ​​zvanu difrakcija rendgenskih zraka“, objasnio je on.

Modifikovani enzim se bolje vezuje za polimer

Kada je dobijena trodimenzionalna struktura, istraživači su počeli da upoređuju PETazu sa srodnim proteinima. Najbliža je kutinaza iz bakterije Thermobifida fusca, koja razgrađuje kutin, neku vrstu prirodnog laka koji oblaže listove biljaka. Određeni patogeni mikroorganizmi koriste kutinaze da razbiju kutinsku barijeru i prisvoje hranljive materije prisutne u listovima.

Slika: struktura PETaze, plave boje, sa PET lancem (žuto) pričvršćenim za njegovo aktivno mesto, gde će se razgraditi. Saopštenje za javnost/Rodrigo Leandro Silveira.

„Otkrili smo da, u regionu enzima gde se odvijaju hemijske reakcije, takozvanom 'aktivnom mestu', PETaza ima neke razlike u odnosu na kutinazu. Ima otvoreniju aktivnu lokaciju. Kroz kompjuterske simulacije – a to je bio deo koji sam najviše doprineo – bili smo u mogućnosti da proučavamo molekularna kretanja enzima. Dok kristalografska struktura, dobijena difrakcijom rendgenskih zraka, pruža statičke informacije, simulacije omogućavaju dobijanje dinamičkih informacija i otkrivanje specifične uloge svake aminokiseline u procesu razgradnje PET-a“, objasnio je istraživač iz IQ-Unicamp-a.

Fizika kretanja molekula je rezultat elektrostatičke privlačnosti i odbijanja ogromnog niza atoma i temperature. Kompjuterske simulacije su nam omogućile da bolje razumemo kako se PETaza vezuje i reaguje sa PET-om.

„Otkrili smo da PETaza i kutinaza imaju dve različite aminokiseline u aktivnom mestu. Koristeći procedure molekularne biologije, onda proizvodimo mutacije u PETazi, sa ciljem da je transformišemo u kutinazu”, rekao je Silveira.

„Kada bismo to mogli da uradimo, pokazali bismo zašto je PETaza PETaza, odnosno znali bismo koje komponente joj daju tako neobično svojstvo razgradnje PET-a. Ali na naše iznenađenje, pokušavajući da potisnemo naročitu aktivnost PETaze, odnosno pokušavajući da transformišemo PETazu u kutinazu, proizvodimo još aktivniju PETazu. Tražili smo da smanjimo aktivnost i umesto toga smo je povećali”, rekao je on.

Ovo je zahtevalo dalje računarske studije da bi se razumelo zašto je mutantna PETaza bila bolja od originalne PETaze. Sa modeliranjem i simulacijama, bilo je moguće videti da promene proizvedene u PETazi favorizuju spajanje enzima sa supstratom.

Modifikovani enzim se bolje vezuje za polimer. Ovo spajanje zavisi od geometrijskih faktora, odnosno od tipa „ključ i brava“ koji se uklapaju između dva molekula. Ali i termodinamički faktori, odnosno interakcije između različitih komponenti enzima i polimera. Elegantan način da se ovo opiše je da se kaže da modifikovana PETaza ima „veći afinitet“ za supstrat.

U pogledu buduće praktične primene, dobijanja sastojka sposobnog da razgradi tone plastičnog otpada, studija je bila ogroman uspeh. Ali pitanje šta čini PETase PETase ostaje neodgovoreno.

„Kutinaza ima aminokiseline a i b. PETaza ima aminokiseline x i y. Zamišljamo da bismo, razmenom x i y za a i b, mogli da transformišemo PETazu u kutinazu. Umesto toga, proizvodimo poboljšanu PETazu. Drugim rečima, dve aminokiseline nisu objašnjenje za različito ponašanje dva enzima. Druga je stvar”, rekla je Silveira.

tekuća evolucija

Kutinaza je drevni enzim, dok je PETaza savremeni enzim, koji je rezultat evolucionog pritiska koji je omogućio da se Ideonella sakaiensis prilagođavaju se okruženju koje sadrži samo ili uglavnom polietilen tereftalat kao izvor ugljenika i energije.

Među mnogim bakterijama koje nisu mogle da iskoriste ovaj polimer, neka mutacija je stvorila vrstu koja je to uspela. Ova bakterija je počela da se razmnožava i raste mnogo više od ostalih jer je imala dovoljno hrane. Uz to se razvila. Barem je to objašnjenje koje pruža standardna evoluciona teorija.

„Činjenica da smo malom promenom dobili bolji enzim snažno sugeriše da ova evolucija još nije završena. Još uvek postoje nove evolucione mogućnosti koje treba razumeti i istražiti, u cilju dobijanja još efikasnijih enzima. Poboljšana PETase nije kraj puta. To je samo početak”, rekao je Silveira.

U pogledu primene, sledeći korak je prelazak sa laboratorijskog na industrijsku skalu. Za ovo će biti neophodne i druge studije koje se odnose na reaktorsko inženjerstvo, optimizaciju procesa i smanjenje troškova.