Пластикојадци

Бактеријата успеала да направи нешто со што човекот се мачи веќе со децении: Ideonella sakaiensis може да го разградува  и да го користи пластичниот отпад како извор на енергија.

Местото Сакаи, Јапонија, сместено покрај едно прометно пристаниште во еден од најурбанизираните и најгусто населени региони во светот, не било баш гостопримливо. Почвата и водата биле загадени со материја што само човекот можел да ја создаде: полиетилен терефталат, познат како ПЕТ. Во оваа пластична пустелија, никнала нова бактериска врста – Ideonella sakaiensis (именувана по градот каде што била пронајдена),  која не само што преживува – туку просперира.

Слика од скенирачки електронски микроскоп на клетка од Ideonella sakaiensis.
Белата лента со скала е 1 микрон

Полиетилентерефталатот (ПЕТ или PETE) е термопластичен полиестер кој се добива преку поликондензација помеѓу:

• Терефтална киселина (TPA) или нејзиниот диметил естер (диметилтерефталат – DMT), и
• Етиленгликол (EG).

Во индустриската пракса, најчесто се користи диметилтерефталат, кој реагира со етиленгликол во две фази:

1. Естерификација или трансестерификација:

DMT + EG → мономери и мали олигомери + метанол

C₆H₄(CОOCH₃)₂+ 2HOCH₂CH₂OH ⟶ C₆H₄(CОOCH₂CH₂OH)₂ + 2CH₃OH

2. Поликондензација:

Мономерите се кондензираат во полиестерни синџири, при што се ослободува етиленгликол како нуспроизвод.

nC₆H₄(COОCH₂CH₂OH)₂⟶ [−OC−C₆H₄−COOCH₂CH₂O−]n + (n−1)HOCH₂CH₂OH

или генерално:

n HOCH₂CH₂OC(O)C₆H₄C(O)OCH₂CH₂OH ⟶ [−OC−C₆H₄−COOCH₂CH₂O−]n + (2n−1)H₂O

(или етиленгликол како нуспроизвод, зависно од патеката).

Процесот бара вакуум, повисоки температури (270–280 °C) и катализатори (соединенија на антимон, титаниум или германиум). Покрај тоа, за подобрување на својствата, може да се користат и кополимеризациски мономери, како што се циклохександиметанол (CHDM) или изофтална киселина, кои влијаат на точката на топење и флексибилноста на материјалот.

ПЕТ е материјал со извонредни својства за пакување, особено за храна и пијалаци, благодарение на својата транспарентност, механичка цврстина и бариерна отпорност. Сепак, тој бара внимателно процесирање за да се избегне деградација, намалување на квалитетот, формирање на несакани нуспроизводи и промени во вкусот и бојата.

Сè повеќе научници ја истражуваат природата во потрага по решение. За речиси секој природен материјал – коска, дрво, рскавица, школка, памук – постои биолошки механизам што може да го разгради. Но откритието на Ideonella sakaiensis покажа дека организмите можат да научат да користат и материјали што не постојат во природата.

Сега истражувачи низ светот се натпреваруваат да ја „научат“ бактеријата да прави уште повеќе: да јаде различни видови пластика, да ги вари побрзо и да создава нешто вредно од крајните продукти. Се надеваат дека ќе создадат процес – со посебно дизајнирани ензими, хемикалии или дури и организми – што ќе може да ја „изеде“ нашата најупорна нечистотија.

PET пластиката покажува деградација од ензим кој може да ја разгради

Главниот проблем со синтетичките материјали како пластиката е што тие содржат хемиски комбинации што природата никогаш досега не ги сретнала. Тоа значи дека не се подложуваат на распаѓање – еден од најважните, но често занемарени процеси во екологијата. Разградувањето е процес кој се развивал милиони години заедно со остатоците од животот. Во секој екосистем постои преполн „зоолошки“ свет од микроорганизми чиешто „занимање“ е да разградуваат материјали – од мршојади што јадат расипано месо, до габи што ги распаѓаат дури и најцврстите дрвја. Овој постојан циклус на раст, распаѓање и обновување е од суштинско значење за животот каков што го познаваме – бидејќи ги враќа хранливите материи во животната средина, овозможувајќи нови организми да никнат и да напредуваат.  Растенијата постојат стотици милиони години – и организмите што можат да ги разградуваат исто така постојат стотици милиони години. А ПЕТ, од друга страна, постои само околу 50 години.

Предизвикот да се „свари“ пластика започнува на молекуларно ниво. Повеќето пластики се органски полимери – затоа имаат „поли“ во имињата: полиетилен, поливинил хлорид, полипропилен. Тие се составени од повторувачки хемиски единици сврзани во долги синџири преку јаглеродни атоми. Но распаѓачите, како бактериите и габите, го немаат потребниот „биолошки алат“ за да ги разложат овие долги пластични синџири назад во нивните поединечни „градбени блокови“.

Дури  и кога пластиката се распаѓа на помали делови, на молекуларно ниво таа трае со векови. Затоа микропластиката може да се најде во микроскопски морски организми, кои потоа ги јадат поголеми животни, па на крај и ние самите. И затоа пластичните кеси, играчки и пелени ќе останат со нас со стотици години.

Но, дури и во средина што е толку темелно променета од човекот, Ideonella sakaiensis му покажа на светот дека животот... наоѓа начин. Во пустошот покриен со пластика, каде што немаше што друго да се јаде, бактеријата брзо развила „вкус“ за нашиот отпад. Прашањето сега е: дали можеме да го претвориме тој вкус во незајадлива глад?

Во сржта на нивната работа е обидот да се разбере како бактеријата Ideonella sakaiensis, која еволуирала за само неколку децении, успеала сама да научи да „јаде“ пластика – и дали можеме да го забрзаме тој процес.

Ideonella sakaiensis не го споделува нашето чувство за итност кога станува збор за пластичниот отпад. Под прецизно контролирани лабораториски услови,  на една колонија ѝ требало околу шест недели за целосно да разгради лист од ПЕТ пластика. Во реални услови, може да бидат потребни недели, па дури и месеци, за бактеријата да разгради шише или кутија за храна. Тоа е многу побрзо од природниот распад на пластика, но сепак е премногу бавно за некој ден да се вгради во машина за домашно „сварување“ пластика. Со такво темпо, тешко е да се оправда изградбата на фабрика што ќе разградува ПЕТ, и уште потешко да се одржи чекор со количината отпад што постојано ја создаваме.

За да се постигнат потребниот обем и брзина за да има смисла оваа техника на бактериско „јадење“ пластика, научниците од лабораторијата применуваат различни пристапи.  Еден од нив е адаптивна лабораториска еволуција. Најуспешните бактерии се одбираат и повторно се размножуваат, па од нивната следна генерација повторно се избираат најдобрите „јадачи на пластика“ – и така со секоја нова генерација.

Друга техника е насочена еволуција. Ова ефикасно го забрзува еволутивниот процес на некој биолошки механизам во лабораториски услови, со цел да се изврши одредена задача – во овој случај, разградување на пластика. Пионерите на насочената еволуција ја добија Нобеловата награда за хемија минатата година, користејќи ја оваа метода за производство на лекови и биогорива.

Кога бактериите или габите што содржат ензим наречен ПЕТ-аза (PETase) доаѓаат во контакт со политетрафталат (ПЕТ, полиетилен терефталат) пластика, тие го лачат овој ензим, кој се врзува за ПЕТ полимерот на неговото активно место. Тоа овозможува да започне реакција во која ПЕТ-азата ги раскинува естерските врски во ПЕТ-от.

Во текот на процесот, ПЕТ се разградува главно на две соединенија: моно-(2-хидроксиетил) терефталат (MHET) и бис-(2-хидроксиетил) терефталат (BHET). BHET е мала молекула, додека MHET може понатаму да се разгради. Дополнителен ензим, присутен кај некои габи и бактерии, го разградува MHET на терефтална киселина (TPA) и етилен гликол (EG) – двата основни мономери од кои е составен ПЕТ. Конечните производи на реакцијата се BHET, TPA и EG. Овие соединенија потоа може да се искористат од микроорганизмите како извор на јаглерод, односно како храна. Ензимот PETase останува непроменет и може повторно да се користи.

Ензимите, исто така, обично се многу специфични за една единствена хемиска реакција – како на пример копирање на ДНК или разложување на шеќери. Бидејќи се толку сложени и насочени кон една работа, многу е тешко да ги натераш да прават нешто поинакво – без да ги „скршиш“.

Компјутерски модел на PETаза, ензим кој може да ја разгради PET пластиката.
Активното место, каде што ензимот се врзува за пластиката за да ја разложи, е заокружено со жолта боја

Но, не е невозможно. Истражувачите можат намерно да предизвикаат мутации кај ензимите и да следат колку добро функционираат. Повеќето од нив ќе бидат неуспешни, но неколку ќе работат подобро. Научниците потоа ги анализираат „победниците“ за да разберат зошто се поефикасни.  Со помош на суперкомпјутери, научниците веќе дизајнираат свои синтетички ензими, користејќи ги оние што ги нашле во природата како шаблони. Можат да пресметаат како би изгледал издржлив, брз и ефикасен ензим што разградyва пластика.  Оттаму, научниците можат да создадат комбинација на ензими што ќе ја разградува пластиката брзо и евтино. Или, пак, генетски да модифицираат бактерии или алги за самите да произведуваат новодизајниран ензим и да разградуваат синтетички материјали. Без разлика која техника ќе се покаже како најуспешна, веројатно ќе биде долг и макотрпен процес.

И дури и ако успееме да одгледаме микроорганизам што ефикасно „јаде“ пластика, не можеме едноставно да го пуштиме во морето за да ги „грицка“ вртлогот од ѓубре и микропластика. Можеби и нема да функционира. А ако функционира, може да предизвика несакани последици.

Ако бактерија што разградува пластика избега и се прошири, може да почне да разградува многу од пластиките што го држат светот заедно – лепила, заптивки, садови, амбалажа – и тоа би можело да има катастрофални последици. Затоа научниците се исклучително  внимателни со пуштањето вакви бактерии во природата и се насочени кон контролирани средини, како што се депонии.

Борбата за разградување на пластика не е само пресметка со нашето минато, туку и инвестиција во нашата иднина – една што произлегува од морална обврска. Нашето време е толку доминирано од човечка активност што буквално оставаме траги во каменот: пластиките веќе создаваат нов геолошки слој.