Naturalne enzymy rozkładają plastik [Uniwersytet w Aarhus]

Duńscy naukowcy znaleźli w bakteriach żyjących m.in. na kenijskim wysypisku, w kompoście, tropikalnym zoo oraz jelitach larw 12 enzymów zdolnych do atakowania wiązań występujących w poliuretanie i nylonie. Nie oznacza to jeszcze rozwiązania problemu plastikowych odpadów, ale może być ważnym krokiem w kierunku nowych metod ich recyklingu. Szczególnie obiecujący enzym pochodzi z bakterii znalezionej w zwykłym kompoście.

Tworzywa sztuczne zalewają świat

.Materace, podeszwy butów, izolacja lodówek, ubrania, liny, części samochodowe czy sieci rybackie mają wspólny problem: tworzywa, z których są wykonane, często niezwykle trudno poddają się recyklingowi. Dotyczy to szczególnie poliuretanu oraz nylonu. W odróżnieniu od części termoplastycznych materiałów nie zawsze można je po prostu przetopić i wykorzystać ponownie. Ich złożona struktura chemiczna sprawia, że odzyskiwanie podstawowych składników pozostaje trudne, kosztowne i energochłonne.

Naukowcy z Aarhus University wraz z badaczami z Danish Technological Institute postanowili więc zadać inne pytanie: zamiast projektować od początku substancję zdolną do rozkładania plastiku, czy można znaleźć odpowiednie narzędzia już istniejące w przyrodzie?

Wyniki opublikowali w czasopiśmie „Angewandte Chemie International Edition”. Zidentyfikowali 29 gatunków bakterii zdolnych do rozcinania określonych wiązań chemicznych oraz 12 enzymów, które mogą uczestniczyć w degradacji poliuretanu i nylonu. Część wykazała większą stabilność termiczną i skuteczność wobec badanych polimerów niż wcześniej opisane naturalne enzymy.

Zamiast baz danych wysypisko, zoo i kompost

.Klasyczne poszukiwanie nowych enzymów często przypomina pracę w ogromnym katalogu genetycznym. Naukowcy znają sekwencję genu kodującego określony enzym, a następnie przeszukują bazy danych w poszukiwaniu podobnych sekwencji. Metoda jest użyteczna, ale ma zasadnicze ograniczenie: najłatwiej za jej pomocą odnaleźć kolejne warianty tego, co już znamy.

Duński zespół postanowił podejść do problemu od drugiej strony. Zastosował bioprospekcję, czyli poszukiwanie w środowisku naturalnym organizmów i cząsteczek mogących mieć użyteczne właściwości biologiczne lub przemysłowe. Badacze szukali przede wszystkim miejsc ciepłych, wilgotnych i takich, w których mikroorganizmy przez długi czas miały kontakt z tworzywami sztucznymi. Próbki pobrano m.in. z wysypiska śmieci w Kenii, tropikalnego zoo Randers Regnskov w Danii, jelit larw mola woskowego oraz kompostu w pobliżu Aarhus. Pomysł opierał się na ewolucyjnej intuicji. Tworzywa sztuczne są stosunkowo młodym elementem ziemskiego środowiska, ale mikroorganizmy przez dziesięciolecia miały możliwość stykania się z nimi. Enzymy wytworzone pierwotnie do rozkładania naturalnych substancji mogą przypadkowo wykazywać również zdolność przecinania podobnych wiązań w syntetycznych polimerach.

Takie przypadkowe właściwości mogą później stać się punktem wyjścia do dalszej ewolucji – naturalnej albo prowadzonej już świadomie w laboratorium.

Miliony bakterii i komórki, które zaczynały świecić

.Samo pobranie próbek było dopiero początkiem problemu. W każdej z nich znajdowały się ogromne populacje mikroorganizmów. Ręczne badanie kolejnych bakterii byłoby praktycznie niemożliwe. Naukowcy wykorzystali więc metodę FACS – fluorescence-activated cell sorting, czyli sortowanie komórek aktywowane fluorescencją.

Bakterie połączono z przygotowanymi przez badaczy cząsteczkami naśladującymi wiązania występujące w poliuretanie i nylonie. Zostały one skonstruowane tak, aby po przecięciu odpowiedniego wiązania zaczynały fluorescencyjnie świecić. W praktyce bakteria sama sygnalizowała więc naukowcom: „posiadam enzym, którego szukacie”.

Sorter komórkowy pozwalał analizować tysiące komórek w ciągu sekundy i oddzielać te, które wywoływały fluorescencję. Następnie z wybranych bakterii izolowano aktywne enzymy, oczyszczano je i identyfikowano m.in. za pomocą spektrometrii mas. W ten sposób z milionów mikroorganizmów stopniowo wyłoniono 29 bakterii wykazujących interesującą aktywność, a następnie 12 enzymów. Jak opisują autorzy badania, był to proces przypominający kolejne etapy selekcji: najpierw poszukiwano bakterii zdolnych do rozkładania modelowych cząsteczek, następnie identyfikowano odpowiedzialne za to enzymy, a ostatecznie badano ich działanie na coraz bardziej realistycznych materiałach.

Najlepszy enzym znaleziono w kompoście

.Najbardziej interesującym kandydatem okazał się enzym oznaczony CCPUR1, pochodzący z bakterii Chelatococcus composti znalezionej w kompoście wzbogaconym poliuretanem.

Nie jest to przypadkowe środowisko. Bakterie rozwijające się w kompoście muszą radzić sobie z wieloma skomplikowanymi naturalnymi polimerami roślinnymi. Jednocześnie temperatura wewnątrz kompostu może być bardzo wysoka. To oznacza, że enzymy wytwarzane przez znajdujące się tam mikroorganizmy muszą zachowywać funkcjonalność w stosunkowo wymagających warunkach. CCPUR1 wyróżniał się właśnie stabilnością. Temperatura jego topnienia wynosiła w badaniach około 68 stopni Celsjusza, a enzym był zdolny do działania na dużych cząsteczkach polimerowych.

Badacze sprawdzili ponadto działanie wybranych enzymów na rzeczywistych materiałach, w tym na piance poliuretanowej przypominającej tę stosowaną w materacach oraz na tekstyliach nylonowych. Według autorów jest to pierwszy opisany przypadek enzymów zdolnych do hydrolizy dłuższych łańcuchów nieprzetworzonego poliuretanu i nylonu oraz usieciowanego poliuretanu. Nie oznacza to jednak, że bakterie mogą już „zjadać materace” w skali przemysłowej. Wydajność procesu pozostaje na razie zbyt mała, aby konkurować z metodami stosowanymi w przemyśle.

Dlaczego poliuretan jest tak trudny do recyklingu?

.Poliuretan to właściwie cała grupa materiałów o bardzo różnych właściwościach. Może przyjmować postać elastycznej pianki w materacu, sztywnej izolacji termicznej, kleju, powłoki albo tworzywa wykorzystywanego w podeszwach butów.

Szczególnie trudne są poliuretany usieciowane, w których poszczególne łańcuchy polimerów są chemicznie połączone w przestrzenną strukturę. Takiego materiału nie da się łatwo stopić i ponownie uformować. Nylon, będący rodzajem poliamidu, również występuje w ogromnej liczbie produktów – od ubrań i dywanów po części maszyn, liny i sieci rybackie. Jego właściwości, które sprawiają, że jest trwały i użyteczny, stają się jednocześnie wadą wtedy, gdy produkt trafia do odpadów.

Dlatego możliwość wykorzystania enzymów jest tak interesująca. Nie chodzi tylko o „zniszczenie” tworzywa. W idealnym modelu polimer zostałby rozłożony do mniejszych składników chemicznych, które następnie można byłoby odzyskać i wykorzystać do produkcji nowego materiału.

Enzymatyczny koktajl zamiast jednej cudownej cząsteczki

.Badanie z Aarhus pokazuje również, że przyszłość biologicznego recyklingu prawdopodobnie nie będzie oparta na jednym uniwersalnym enzymie.

Poszczególne enzymy charakteryzują się różną specjalizacją. Jedne skuteczniej rozcinają określone wiązania występujące w poliuretanie, inne lepiej działają na nylon. Możliwym rozwiązaniem jest więc stworzenie koktajlu enzymatycznego, w którym kilka wyspecjalizowanych cząsteczek działałoby kolejno lub równocześnie. Jedna mogłaby usuwać określony rodzaj polimeru, następna rozkładać kolejny składnik produktu.

To szczególnie istotne w przypadku współczesnych materiałów, które rzadko są wykonane z jednego czystego tworzywa. But, materac czy element samochodu może zawierać kilka rodzajów plastiku, kleje, barwniki, włókna i inne dodatki. Z biologicznego punktu widzenia takie odpady przypominają więc bardziej złożony posiłek niż pojedynczą substancję.

Od znalezienia enzymu do przemysłowego recyklingu jest jeszcze daleko

Autorzy badania nie twierdzą, że odkryli gotową technologię pozwalającą rozwiązać problem plastikowych odpadów.

Przeciwnie, 12 znalezionych enzymów należy traktować przede wszystkim jako punkt wyjścia. Można teraz badać ich strukturę, modyfikować je za pomocą inżynierii białek, zwiększać szybkość reakcji, stabilność i odporność na warunki przemysłowe. Prawdopodobne jest również, że enzymatyczny rozkład trzeba będzie połączyć z innymi metodami: mechanicznym rozdrabnianiem materiału, obróbką chemiczną czy odpowiednim przygotowaniem powierzchni tworzywa.

Największą potencjalną zaletą enzymów jest jednak możliwość prowadzenia reakcji w znacznie łagodniejszych warunkach niż w wielu współczesnych procesach chemicznych – przy niższej temperaturze, ciśnieniu oraz mniejszym zużyciu energii.

To właśnie dlatego biologiczny recykling od kilku lat jest jednym z najbardziej intensywnie badanych kierunków gospodarki obiegu zamkniętego.

Przyroda jako ogromna biblioteka rozwiązań

.Najciekawszy wniosek z duńskiego badania może jednak wykraczać poza problem samego plastiku.

Przez dziesięciolecia rozwój biotechnologii polegał między innymi na katalogowaniu coraz większej liczby genów i białek. Wraz z rozwojem sekwencjonowania genomów możliwości przeszukiwania tej biblioteki stały się ogromne. Ale natura zawiera znacznie więcej rozwiązań, niż te, które zostały już opisane i umieszczone w bazach danych. Duńscy badacze wrócili więc do jednego z najstarszych sposobów prowadzenia nauki: poszli w teren i zaczęli szukać organizmów, które nauczyły się funkcjonować w niezwykłym środowisku. Najbardziej obiecujący enzym nie pochodził przy tym ani z egzotycznego afrykańskiego wysypiska, ani z tropikalnego zoo, lecz z kompostu znajdującego się kilka kilometrów od laboratorium.

Historia CCPUR1 dobrze pokazuje, że w biotechnologii przyszłości ważne może być nie tylko projektowanie nowych molekuł, lecz również coraz inteligentniejsze przeszukiwanie ogromnej chemicznej biblioteki, którą ewolucja stworzyła już wcześniej.

Jarosław Kowalski / PAP