Istraživači stvaraju mutirani enzim koji probavlja plastiku

Otkriće međunarodne skupine znanstvenika, koja uključuje dva Brazilca, moglo bi pridonijeti smanjenju onečišćenja uzrokovanog materijalom

Plastično smeće se nakuplja u morima

Međunarodna skupina znanstvenika, u kojoj sudjeluju dva Brazilca sa Sveučilišta Campinas (Unicamp), uspjela je poboljšati performanse PETase, enzima koji se može hraniti polietilen tereftalatom, PET plastikom. Nakon što je PETase otkrivena u novoj vrsti bakterija 2016. godine, skupina istraživača radila je na dobivanju strukture enzima i razumijevanju njegovog funkcioniranja. U ovom su procesu slučajno na kraju stvorili mutaciju enzima koji ima još veći afinitet s PET-om, odnosno veći potencijal za razgradnju plastike.

Djelo ima ogroman potencijal za praktičnu upotrebu, jer se procjenjuje da se svake godine u oceane lansira između 4,8 i 12,7 milijuna tona plastike - broj koji samo raste. Plastika, koja se nakuplja čak i na najudaljenijim plažama na planetu, toliko se koristi upravo zbog svoje otpornosti na razgradnju, što je ono što najviše prijeti okolišu. Ako se baci, PET boca, na primjer, može ostati u okolišu 800 godina - uz rastući i alarmantan problem mikroplastike.

  • Shvatite utjecaj plastičnog otpada na prehrambeni lanac na okoliš
  • Kakvo je podrijetlo plastike koja zagađuje oceane?

Uz sve ovo, lako je razumjeti veliki interes izazvan otkrićem enzima koji je sposoban probaviti polietilen tereftalat. Ovaj enzim, nazvan PETase, povećao je svoju sposobnost razgradnje plastike. Novost je opisana u članku objavljenom u Zborniku Nacionalne akademije znanosti Sjedinjenih Američkih Država (PNAS).

U istraživanju su sudjelovala dva istraživača s Kemijskog instituta Državnog sveučilišta Campinas (IQ-Unicamp), u suradnji s istraživačima iz Ujedinjenog Kraljevstva (Sveučilište u Portsmouthu) i Sjedinjenih Država (Nacionalni laboratorij za obnovljive izvore energije). Oni su postdoktorand Rodrigo Leandro Silveira i njegov supervizor, redoviti profesor i dekan za istraživanje u Unicampu Munir Salomão Skaf.

„Polietilen tereftalat, koji se uglavnom koristi u proizvodnji boca za piće, također se široko koristi u proizvodnji odjeće, tepiha i drugih predmeta. U našem istraživanju okarakterizirali smo trodimenzionalnu strukturu enzima koji je sposoban probaviti ovu plastiku, konstruirali smo je, povećavajući njezinu moć razgradnje i pokazali da je aktivan i u polietilen-2,5-furandikarboksilatu (PEF), zamjeni za PET proizveden iz iz obnovljivih sirovina ”, rekao je Silveira agenciji Agência FAPESP.

Interes za PETase nastao je 2016. godine, kada je skupina japanskih istraživača, predvođena Shosukeom Yoshidom, identificirala novu vrstu bakterija, Ideonella sakaiensis , sposobnu za upotrebu polietilen tereftalata kao izvora ugljika i energije - drugim riječima, sposobnu hraniti se PET-om. To je do danas jedini poznati organizam s tim kapacitetom. Doslovno raste na PET-u.

“Osim što su identificirali Ideonellu sakaiensis , Japanci su otkrili da proizvodi dva enzima koji se izlučuju u okoliš. Jedan od lučenih enzima bila je PETase. Zbog svog stupnja kristalnosti PET je polimer koji se vrlo teško razgrađuje. Tehnički koristimo izraz "preračunljivost" da bismo imenovali svojstvo koje određeni visokopakirani polimeri moraju odoljeti razgradnji. PET je jedan od njih. Ali PETaza je napada i rastavlja na male jedinice - mono (2-hidroksietil) tereftalnu kiselinu (MHET). Jedinice MHET-a zatim se pretvaraju u tereftalnu kiselinu [pomoću drugog enzima] i apsorbiraju i metaboliziraju od strane bakterija “, rekao je Silveira.

Sva poznata živa bića koriste biomolekule da bi preživjela. Sve osim Ideonella sakaiensis, koja uspijeva koristiti sintetsku molekulu, koju su proizveli ljudi. To znači da je ova bakterija rezultat vrlo nedavnog evolucijskog procesa koji se dogodio u posljednjih nekoliko desetljeća. Uspio se prilagoditi polimeru koji je razvijen početkom 1940-ih, a u industrijskim razmjerima počeo se koristiti tek 1970-ih, a za to je PETase ključni dio.

“PETaza čini najteži dio, a to je razbiti kristalnu strukturu i depolimerizirati PET u MHET-u. Rad drugog enzima, koji pretvara MHET u tereftalnu kiselinu, već je mnogo jednostavniji, jer njegov supstrat tvore monomeri kojima je enzim lako dostupan, jer su raspršeni u reakcijskom mediju. Stoga su se studije usredotočile na PETase ”, objasnio je Silveira.

Sljedeći je korak bio detaljno proučiti PETase i to je bio doprinos novog istraživanja. „Naš je fokus bio otkriti što je PETaseu omogućilo da učini nešto što drugi enzimi nisu mogli učiniti vrlo učinkovito. Zbog toga je prvi korak bio dobiti trodimenzionalnu strukturu ovog proteina ”, rekao je.

„Dobivanje trodimenzionalne strukture znači otkrivanje koordinata x, y i z svakog od tisuća atoma koji čine makromolekulu. Naši britanski kolege obavili su ovaj posao poznatom i korištenom tehnikom, koja se naziva difrakcija X-zraka ”, objasnio je.

Modificirani enzim bolje se veže za polimer

Dobivši trodimenzionalnu strukturu, istraživači su počeli uspoređivati ​​PETase sa srodnim proteinima. Najsličnija je cutinaza bakterije Thermobifida fusca, koja razgrađuje cutin, vrstu prirodnog laka koji prekriva lišće biljaka. Određeni patogeni mikroorganizmi koriste cutinaze kako bi razbili cutin barijeru i prisvojili hranjive sastojke prisutne u lišću.

Enzim koji probavlja plastiku

Slika: PETazna struktura, u plavoj boji, s PET lancem (u žutoj) povezanom s aktivnim mjestom, gdje će se razgraditi. Saopćenje za javnost / Rodrigo Leandro Silveira.

„Otkrili smo da je PETase u području enzima u kojem se javljaju kemijske reakcije, takozvanom„ aktivnom mjestu “, pokazalo neke razlike u odnosu na cutinazu. Ima otvorenije aktivno mjesto. Kroz računalne simulacije - i to je bio dio u kojem sam najviše pridonio - uspjeli smo proučavati molekularne pokrete enzima. Dok kristalografska struktura, dobivena difrakcijom X-zraka, daje statičke podatke, simulacije omogućuju raspolaganje dinamičkim informacijama i otkrivanje specifične uloge svake aminokiseline u procesu razgradnje PET-a ”, objasnio je istraživač iz IQ-Unicampa.

Fizika kretanja molekule rezultat je elektrostatičkih privlačenja i odbijanja ogromnog skupa atoma i temperature. Računalne simulacije omogućile su nam da bolje razumijemo kako se PETase veže i komunicira s PET-om.

“Otkrili smo da PETase i cutinaza imaju dvije različite aminokiseline na aktivnom mjestu. Kroz postupke molekularne biologije proizveli smo mutacije u PETase-i, s ciljem da je transformiramo u cutinazu ”, rekao je Silveira.

„Da smo to mogli, pokazali bismo zašto je PETase PETase, odnosno znali bismo koje su komponente koje mu daju posebno svojstvo razgradnje PET-a. Ali, na naše iznenađenje, kada pokušavamo suzbiti osobite aktivnosti PETase, odnosno kada pokušavamo transformirati PETase u cutinazu, proizvodimo još aktivniju PETase. Nastojali smo smanjiti aktivnost i umjesto toga povećali smo je “, rekao je.

To je zahtijevalo daljnja proračunska ispitivanja kako bi se shvatilo zašto je mutantna PETase bolja od izvorne PETase. Modeliranjem i simulacijama bilo je moguće primijetiti da promjene proizvedene u PETazi pogoduju spajanju enzima sa supstratom.

Modificirani enzim bolje se veže za polimer. Ova sprega ovisi o geometrijskim čimbenicima, odnosno o tipu "ključ i brava" koji se uklapa između dvije molekule. Ali i termodinamičkih čimbenika, odnosno interakcija između različitih komponenata enzima i polimera. Elegantan način da se to opiše jest reći da modificirana PETaza ima "veći afinitet" za podlogu.

Što se tiče buduće praktične primjene, dobivanja sastojka koji može razgraditi tone plastičnog otpada, studija je postigla velik uspjeh. No, pitanje što PETase čini PETase-om ostaje bez odgovora.

“Cutinaza ima aminokiseline a i b. PETase ima aminokiseline x i y. Zamišljali smo da zamjenom x i y za a i b možemo transformirati PETase u kutinazu. Umjesto toga, proizvodimo poboljšanu PETase. Drugim riječima, dvije aminokiseline nisu objašnjenje za različito ponašanje dva enzima. To je nešto drugo ”, rekao je Silveira.

Stalni razvoj događaja

Cutinaza je drevni enzim, dok je PETase moderni enzim, koji je rezultat evolucijskog pritiska koji je omogućio Ideonella sakaiensis da se prilagodi mediju koji sadrži samo ili uglavnom polietilen tereftalat kao izvor ugljika i energije.

Među mnogim bakterijama koje nisu u mogućnosti koristiti ovaj polimer, neke su mutacije generirale vrstu koja je to uspjela. Ova se bakterija počela razmnožavati i rasti mnogo više od ostalih jer je imala dovoljno hrane. Uz to se razvilo. Barem je ovo objašnjenje koje pruža standardna evolucijska teorija.

„Činjenica da smo manjim promjenama dobili bolji enzim snažno sugerira da ova evolucija još nije dovršena. Još uvijek postoje nove evolucijske mogućnosti koje treba razumjeti i istražiti s ciljem dobivanja još učinkovitijih enzima. Poboljšana PETase nije kraj puta. To je samo početak ”, rekao je Silveira.

S obzirom na primjenu, sljedeći je korak prelazak s laboratorijske na industrijsku razinu. Za to će biti potrebne daljnje studije povezane s reaktorskim inženjerstvom, optimizacijom procesa i smanjenjem troškova.