החוקרים יוצרים אנזים מוטנטי שמעכל פלסטיק

גילוי של קבוצת מדענים בינלאומית, הכוללת שני ברזילאים, עשוי לתרום למזעור הזיהום הנגרם על ידי החומר

קבוצה בינלאומית של מדענים, בה משתתפים שני ברזילאים מאוניברסיטת קמפינאס (יוניקמפ), הצליחה לשפר את הביצועים של PETase, אנזים המסוגל להזין פוליאתילן טרפטלת, פלסטיק PET. לאחר שהתגלה PETase במין חדש של חיידקים בשנת 2016, קבוצת החוקרים עבדה להשגת מבנה האנזים והבנת תפקודו. בתהליך זה, במקרה, הם יצרו בסופו של דבר מוטציה של האנזים שיש לו זיקה גדולה עוד יותר ל- PET - כלומר פוטנציאל גדול יותר להשפלת הפלסטיק.

לעבודה פוטנציאל עצום לשימוש מעשי, שכן ההערכה היא כי בין 4.8 ל 12.7 מיליון טון פלסטיק מושלכים לאוקיאנוסים מדי שנה - מספר שרק נוטה לגדול. פלסטיקה, המצטברת אפילו בחופים המרוחקים ביותר על פני כדור הארץ, משמשת כל כך בדיוק בגלל עמידותם בפני השפלה, וזה מה שמאיים ביותר על הסביבה. כאשר הוא מושלך, בקבוק PET, למשל, יכול להישאר בסביבה במשך 800 שנה - בנוסף לבעיה ההולכת וגדלה של מיקרו-פלסטיק.

• להבין את ההשפעה הסביבתית של פסולת פלסטיק על שרשרת המזון
• מה מקור הפלסטיק המזהם את האוקיאנוסים?

עם כל אלה, קל להבין את העניין הרב שעורר גילוי אנזים המסוגל לעכל פוליאתילן טרפטלט. אנזים זה, הנקרא PETase, הגדיל כעת את יכולתו להשפיל פלסטיק. החידוש תואר במאמר שפורסם בהליכים של האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית של אמריקה (PNAS).

שני חוקרים מהמכון לכימיה של אוניברסיטת קמפינאס (IQ-Unicamp) השתתפו במחקר, בשיתוף פעולה עם חוקרים מבריטניה (אוניברסיטת פורטסמות ') וארצות הברית (המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת). הם העמיתים בפוסט-דוקטורט רודריגו לינדרו סילביירה והממונה עליו, הפרופסור והפרוקטור למחקר באוניקאמפ מוניר סלומאו סקאף.

"בשימוש בעיקר בייצור בקבוקי משקאות, פוליאתילן טרפטלט נמצא בשימוש נרחב גם בייצור בגדים, שטיחים וחפצים אחרים. במחקר שלנו, איפיינו את מבנה התלת מימד של האנזים המסוגל לעכל פלסטיק זה, הנדסנו אותו, הגדיל את כוח ההשפלה שלו והראינו שהוא פעיל גם בפוליאתילן -2,5-פורנדיקרבוקסילאט (PEF), תחליף ל- PET המיוצר מ מחומרי גלם מתחדשים, "אמרה סילביירה לאגנסיה FAPESP.

ההתעניינות ב- PETase התעוררה בשנת 2016, כאשר קבוצת חוקרים יפנים, בראשות שוסוקה יושידה, זיהתה זן חדש של חיידקים, אידיאונלה סאקנסיס , המסוגל להשתמש בפוליאתילן טרפטלט כמקור לפחמן ואנרגיה - במילים אחרות, מסוגל להאכיל ב- PET. זהו, עד היום, האורגניזם היחיד הידוע בעל יכולת זו. זה ממש גדל על PET.

"בנוסף לזיהוי אידיאונלה סאקאנסיס , גילו היפנים כי הם מייצרים שני אנזימים המופרשים לסביבה. אחד האנזימים המופרשים היה PETase. בגלל מידת הגבישיות שלו, PET הוא פולימר שקשה מאוד להתפרק ממנו. אנו משתמשים מבחינה טכנית במונח 'סרבנות חוזרת' כדי למנות את המאפיין שיש לפולימרים ארוזים מאוד כדי לעמוד בפני השפלה. PET הוא אחד מהם. אך PETase תוקף ומפרק אותו ליחידות קטנות - חומצה מונפטואלית (2-הידרוקסיאתיל) טרפטאלית (MHET). יחידות ה- MHET מומרות לאחר מכן לחומצה טרפטאלית [על ידי אנזים שני] ונספגות וחולפות על ידי החיידקים, "אמר סילווירה.

כל היצורים החיים הידועים משתמשים בביומולקולות כדי לשרוד. הכל למעט אידיאונלה סאקנסיס, שמצליחה להשתמש במולקולה סינתטית, המיוצרת על ידי בני אדם. משמעות הדבר היא שחיידק זה הוא תוצאה של תהליך אבולוציוני מאוד לאחרונה, שהתרחש בעשורים האחרונים. היא הצליחה להסתגל לפולימר שפותח בראשית שנות הארבעים והחל להשתמש בו בקנה מידה תעשייתי רק בשנות השבעים. לשם כך, PETase הוא החלק המרכזי.

"PETase עושה את החלק הקשה ביותר, שהוא לשבור את המבנה הגבישי ולבצע דפולימריזציה של PET ב- MHET. עבודתו של האנזים השני, ההופך את MHET לחומצה טרפטאלית, כבר פשוטה בהרבה, מכיוון שהמצע שלו נוצר על ידי מונומרים אליהם נגיש האנזים קל מכיוון שהם מפוזרים במדיום התגובה. לכן, המחקרים התמקדו ב- PETase ", הסביר סילווירה.

השלב הבא היה ללמוד את PETase בפירוט וזה היה תרומת המחקר החדש. "ההתמקדות שלנו הייתה לברר מה נתן ל- PETase את היכולת לעשות משהו שאנזימים אחרים לא הצליחו לעשות ביעילות רבה. לשם כך, הצעד הראשון היה להשיג את המבנה התלת מימדי של חלבון זה ", אמר.

"השגת המבנה התלת מימדי פירושה גילוי הקואורדינטות x, y ו- z של כל אחד מאלפי האטומים המרכיבים את מקרומולקולה. עמיתינו הבריטים ביצעו עבודה זו בטכניקה ידועה ומשומשת, הנקראת עקיפה רנטגן ", הסביר.

אנזים שונה נקשר טוב יותר לפולימר

לאחר שקיבלו את המבנה התלת מימדי, החוקרים החלו להשוות PETase לחלבונים קשורים. הדומה ביותר הוא קוטינאז של החיידק Thermobifida fusca, אשר משפיל את הקוטין, מעין לכה טבעית המכסה את עלי הצמחים. מיקרואורגניזמים פתוגניים מסוימים משתמשים בקוטינאזות כדי לשבור את מחסום הקטינים ולהתאים את החומרים המזינים הקיימים בעלים.

תמונה: מבנה PETase, בכחול, עם שרשרת PET (בצהוב) המחוברת לאתר הפעיל שלה, שם היא תושפל. הודעה לעיתונות / רודריגו לאנדרו סילביירה.

"גילינו שבאזור האנזים שבו מתרחשות תגובות כימיות, מה שנקרא 'האתר הפעיל', PETase הראה הבדלים מסוימים ביחס לקוטינאז. יש לו אתר פעיל יותר פתוח. באמצעות סימולציות ממוחשבות - וזה היה החלק שבו תרמתי הכי הרבה - הצלחנו לחקור את התנועות המולקולריות של האנזים. בעוד שהמבנה הקריסטלוגרפי, המתקבל על ידי עקיפה של רנטגן, מספק מידע סטטי, הסימולציות מאפשרות לקבל מידע דינמי ולגלות את התפקיד הספציפי של כל חומצת אמינו בתהליך ההשפלה של PET ", הסביר החוקר מ- IQ-Unicamp.

הפיזיקה של תנועות המולקולה נובעת מהאטרקציות והדחיות האלקטרוסטטיות של מערכת האטומים העצומה והטמפרטורה. הדמיות ממוחשבות אפשרו לנו להבין טוב יותר כיצד PETase נקשר ואינטראקציה עם PET.

"מצאנו כי ל- PETase ו- cutinase יש שתי חומצות אמינו שונות באתר הפעיל. באמצעות הליכי ביולוגיה מולקולריים, לאחר מכן ייצרנו מוטציות ב- PETase, במטרה להפוך אותו לקוטינאז ", אמר סילווירה.

"אם היינו מסוגלים לעשות זאת, היינו מראים מדוע PETase הוא PETase, כלומר היינו יודעים מהם המרכיבים המקנים לו את המאפיין המוזר של PET משפיל. אך, להפתעתנו, כשמנסים לדכא את הפעילות המוזרה של PETase, כלומר כשמנסים להפוך את PETase לקוטינאז, אנו מייצרים PETase פעיל עוד יותר. ניסינו לצמצם את הפעילות ובמקום זאת הגדלנו אותה ", אמר.

זה נדרש למחקרי חישוב נוספים כדי להבין מדוע ה- PETase המוטנטי היה טוב יותר מאשר ה- PETase המקורי. בעזרת דוגמנות וסימולציות ניתן היה להבחין כי השינויים המיוצרים ב- PETase מעדיפים את צימוד האנזים עם המצע.

האנזים המתוקן נקשר טוב יותר לפולימר. צימוד זה תלוי בגורמים גיאומטריים, כלומר בסוג "מפתח ונעילה" בין שתי המולקולות. אך גם של גורמים תרמודינמיים, כלומר של יחסי גומלין בין מרכיבי האנזים והפולימר השונים. הדרך האלגנטית לתאר זאת היא לומר כי ל- PETase המתוקן יש "זיקה גדולה יותר" למצע.

במונחים של יישום מעשי עתידי, של השגת מרכיב המסוגל להשפיל טונות של פסולת פלסטיק, המחקר זכה להצלחה רבה. אך השאלה מה הופך את PETase ל- PETase נותרה ללא מענה.

"לקוטינאז יש חומצות אמינו a ו- b. ל- PETase יש את חומצות האמינו x ו- y. אנו מתארים לעצמנו שעל ידי החלפת x ו- y ב- a ו- b, נוכל להפוך את PETase ל- cutinase. במקום זאת אנו מייצרים PETase משופר. במילים אחרות, שתי חומצות האמינו אינן ההסבר להתנהגות הדיפרנציאלית של שני האנזימים. זה משהו אחר, ”אמרה סילווירה.

התפתחויות מתמשכות

קוטינאז הוא אנזים עתיק, ואילו PETase הוא אנזים מודרני, הנובע מהלחץ האבולוציוני שאיפשר לאידאונלה סאקנסיס להסתגל למדיום המכיל רק או בעיקר פוליאתילן טרפטלט כמקור לפחמן ואנרגיה.

בין החיידקים הרבים שאינם יכולים להשתמש בפולימר זה, מוטציה כלשהי יצרה זן שהצליח לעשות זאת. חיידק זה החל להתרבות ולצמוח הרבה יותר מהאחרים מכיוון שהיה בו מספיק מזון. עם זה זה התפתח. לפחות זה ההסבר שמספקת התיאוריה האבולוציונית הסטנדרטית.

"העובדה שקיבלנו אנזים טוב יותר על ידי שינוי קטן מעידה מאוד על כך שהאבולוציה הזו טרם הושלמה. ישנן אפשרויות אבולוציוניות חדשות שיש להבין ולחקור, על מנת להשיג אנזימים יעילים אף יותר. Petase משופר אינו סוף הדרך. זו רק ההתחלה, ”אמרה סילווירה.

במטרה ליישם, השלב הבא הוא לעבור ממעבדה לקנה מידה תעשייתי. לשם כך, יהיה צורך במחקרים נוספים הקשורים להנדסת כורים, אופטימיזציה של תהליכים והוזלת עלויות.