Odkrycie międzynarodowej grupy naukowców, w skład której wchodzi dwóch Brazylijczyków, może przyczynić się do zminimalizowania zanieczyszczenia powodowanego przez materiał
Międzynarodowa grupa naukowców, w której uczestniczą dwaj Brazylijczycy z University of Campinas (Unicamp), zdołała poprawić działanie PETazy, enzymu zdolnego do odżywiania się politereftalanem etylenu, plastikiem PET. Po odkryciu PETazy w nowym gatunku bakterii w 2016 roku, grupa naukowców pracowała nad uzyskaniem struktury enzymu i zrozumieniem jego działania. W tym procesie przez przypadek stworzyli mutację enzymu, która ma jeszcze większe powinowactwo do PET - to znaczy ma większy potencjał do degradacji plastiku.
Prace te mają ogromny potencjał praktycznego wykorzystania, ponieważ szacuje się, że co roku do oceanów trafia od 4,8 do 12,7 miliona ton plastiku - liczba ta ma tendencję do wzrostu. Tworzywa sztuczne, które gromadzą się nawet na najbardziej odległych plażach planety, są tak wykorzystywane właśnie ze względu na ich odporność na degradację, która najbardziej zagraża środowisku. Na przykład butelka PET po wyrzuceniu może pozostać w środowisku przez 800 lat - oprócz rosnącego i niepokojącego problemu mikroplastików.
- Zrozum wpływ odpadów z tworzyw sztucznych na środowisko w łańcuchu pokarmowym
- Jakie jest pochodzenie plastiku, który zanieczyszcza oceany?
Przy tym wszystkim łatwo zrozumieć ogromne zainteresowanie, jakie wzbudziło odkrycie enzymu zdolnego do trawienia politereftalanu etylenu. Enzym ten, zwany PETazą, zwiększył teraz swoją zdolność do degradacji plastiku. Nowość została opisana w artykule opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
W badaniach wzięło udział dwóch naukowców z Instytutu Chemii State University of Campinas (IQ-Unicamp), we współpracy z naukowcami z Wielkiej Brytanii (University of Portsmouth) i Stanów Zjednoczonych (National Renewable Energy Laboratory). Są to doktorant Rodrigo Leandro Silveira i jego przełożony, profesor i prorektor ds. Badań w Unicamp Munir Salomão Skaf.
„Politereftalan etylenu, używany głównie do produkcji butelek na napoje, jest również szeroko stosowany w produkcji odzieży, dywanów i innych przedmiotów. W naszych badaniach scharakteryzowaliśmy trójwymiarową strukturę enzymu zdolnego do trawienia tego tworzywa sztucznego, opracowaliśmy go inżynierią, zwiększając jego zdolność do degradacji oraz wykazaliśmy, że jest on również aktywny w polietyleno-2,5-furanodikarboksylanie (PEF), substytutie PET wytwarzanego z z surowców odnawialnych ”- powiedział Silveira Agência FAPESP.
Zainteresowanie PETase pojawiło się w 2016 r., Kiedy grupa japońskich badaczy, na czele której stał Shosuke Yoshida, zidentyfikowała nowy gatunek bakterii, Ideonella sakaiensis , zdolny do wykorzystywania politereftalanu etylenu jako źródła węgla i energii - innymi słowy, zdolny karmić się PET. Do dziś jest jedynym znanym organizmem o takiej zdolności. Dosłownie rośnie na PET.
„Oprócz zidentyfikowania Ideonella sakaiensis , Japończycy odkryli, że wytwarza ona dwa enzymy wydzielane do środowiska. Jednym z wydzielanych enzymów była PETaza. Ze względu na stopień krystaliczności PET jest polimerem bardzo trudnym do degradacji. Z technicznego punktu widzenia używamy terminu „oporność”, aby nazwać właściwość, jaką niektóre wysoko upakowane polimery muszą być odporne na degradację. PET jest jednym z nich. Ale PETase atakuje i rozbija go na małe jednostki - kwas mono (2-hydroksyetylo) tereftalowy (MHET). Jednostki MHET są następnie przekształcane w kwas tereftalowy [przez drugi enzym], a następnie absorbowane i metabolizowane przez bakterie ”- powiedział Silveira.
Wszystkie znane żywe stworzenia wykorzystują biocząsteczki, aby przetrwać. Wszystko oprócz Ideonella sakaiensis, której udaje się użyć syntetycznej cząsteczki wyprodukowanej przez człowieka. Oznacza to, że ta bakteria jest wynikiem bardzo niedawnego procesu ewolucyjnego, który miał miejsce w ciągu ostatnich kilku dekad. Udało mu się dostosować do polimeru, który został opracowany na początku lat czterdziestych i zaczął być stosowany na skalę przemysłową dopiero w latach siedemdziesiątych XX w. W tym przypadku kluczową częścią jest PETaza.
„PETaza wykonuje najtrudniejszą część, czyli rozbicie struktury krystalicznej i depolimeryzację PET w MHET. Praca drugiego enzymu, który przekształca MHET w kwas tereftalowy, jest już znacznie prostsza, ponieważ jego substrat tworzą monomery, do których enzym ma łatwy dostęp, ponieważ są zdyspergowane w środowisku reakcji. Dlatego badania skupiły się na PETase ”, wyjaśnia Silveira.
Następnym krokiem było szczegółowe zbadanie PETase i taki był wkład nowych badań. „Naszym celem było ustalenie, co dało PETase zdolność do robienia czegoś, czego inne enzymy nie byłyby w stanie zrobić bardzo wydajnie. W tym celu pierwszym krokiem było uzyskanie trójwymiarowej struktury tego białka ”- powiedział.
„Uzyskanie trójwymiarowej struktury oznacza odkrycie współrzędnych x, y i z każdego z tysięcy atomów tworzących makrocząsteczkę. Nasi brytyjscy koledzy wykonali tę pracę przy użyciu dobrze znanej i używanej techniki zwanej dyfrakcją rentgenowską ”- wyjaśnił.
Zmodyfikowany enzym lepiej wiąże się z polimerem
Po uzyskaniu trójwymiarowej struktury naukowcy zaczęli porównywać PETazę z białkami pokrewnymi. Najbardziej podobna jest kutynaza z bakterii Thermobifida fusca, która rozkłada kutynę, rodzaj naturalnego lakieru pokrywającego liście roślin. Niektóre mikroorganizmy chorobotwórcze wykorzystują kutynazy do przełamywania bariery kutyny i przywracania składników odżywczych obecnych w liściach.
Zdjęcie: Struktura PETazy, na niebiesko, z łańcuchem PET (na żółto) połączonym z jej aktywnym miejscem, gdzie zostanie zdegradowany. Informacja prasowa / Rodrigo Leandro Silveira.
„Odkryliśmy, że w obszarze enzymu, w którym zachodzą reakcje chemiczne, tzw. Miejscu aktywnym, PETaza wykazuje pewne różnice w stosunku do kutynazy. Ma bardziej otwarte miejsce aktywne. Dzięki symulacjom komputerowym - i w tej części włożyłem największy wkład - mogliśmy zbadać ruchy molekularne enzymu. O ile struktura krystalograficzna uzyskana metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich dostarcza informacji statycznych, o tyle symulacje pozwalają na uzyskanie informacji dynamicznych i odkrycie specyficznej roli każdego aminokwasu w procesie degradacji PET ”- wyjaśnił badacz z IQ-Unicamp.
Fizyka ruchów cząsteczki wynika z przyciągania elektrostatycznego i odpychania ogromnego zbioru atomów oraz temperatury. Symulacje komputerowe pozwoliły nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób PETaza wiąże się i współdziała z PET.
„Odkryliśmy, że PETaza i kutynaza mają dwa różne aminokwasy w miejscu aktywnym. Następnie, za pomocą procedur biologii molekularnej, wytworzyliśmy mutacje w PETazie w celu przekształcenia jej w kutynazę ”, powiedział Silveira.
„Gdybyśmy byli w stanie to zrobić, pokazalibyśmy, dlaczego PETase jest PETase, czyli wiedzielibyśmy, jakie składniki nadają mu szczególną właściwość degradacji PET. Ale ku naszemu zdziwieniu, próbując stłumić osobliwą aktywność PETazy, to znaczy próbując przekształcić PETazę w kutynazę, wytwarzamy jeszcze bardziej aktywną PETazę. Staraliśmy się ograniczyć aktywność, a zamiast tego ją zwiększyliśmy ”- powiedział.
Wymagało to dalszych badań obliczeniowych, aby zrozumieć, dlaczego zmutowana PETaza była lepsza niż oryginalna PETaza. Dzięki modelowaniu i symulacjom można było zauważyć, że zmiany zachodzące w PETazy sprzyjają sprzęganiu enzymu z substratem.
Zmodyfikowany enzym lepiej wiąże się z polimerem. To sprzężenie zależy od czynników geometrycznych, to znaczy typu „klucz i zamek” pasują między dwiema cząsteczkami. Ale także o czynnikach termodynamicznych, to znaczy o interakcjach między różnymi składnikami enzymu i polimeru. Eleganckim sposobem opisania tego jest stwierdzenie, że zmodyfikowana PETaza ma „większe powinowactwo” do substratu.
Pod względem przyszłego praktycznego zastosowania, czyli uzyskania składnika zdolnego do degradacji ton odpadów tworzyw sztucznych, badanie zakończyło się dużym sukcesem. Ale pytanie, co sprawia, że PETase jest PETazą, pozostaje bez odpowiedzi.
„Kutynaza zawiera aminokwasy a i b. PETaza ma aminokwasy x i y. Wyobrażamy sobie, że zamieniając x i y na a i b, moglibyśmy przekształcić PETazę w kutynazę. Zamiast tego produkujemy ulepszoną PETazę. Innymi słowy, dwa aminokwasy nie wyjaśniają zróżnicowanego zachowania dwóch enzymów. To coś innego - powiedziała Silveira.
Ciągły rozwój
Kutynaza jest starożytnym enzymem, podczas gdy PETaza jest nowoczesnym enzymem, wynikającym z presji ewolucyjnej, która umożliwiła Ideonella sakaiensis przystosowanie się do pożywki, która zawiera tylko lub głównie politereftalan etylenu jako źródło węgla i energii.
Spośród wielu bakterii, które nie są w stanie wykorzystać tego polimeru, niektóre mutacje doprowadziły do powstania gatunku, któremu się to udało. Ta bakteria zaczęła się rozmnażać i rosnąć znacznie bardziej niż inne, ponieważ miała wystarczającą ilość pożywienia. W ten sposób się rozwinął. Tak przynajmniej wyjaśnia standardowa teoria ewolucji.
„Fakt, że uzyskaliśmy lepszy enzym, dokonując niewielkiej zmiany, silnie sugeruje, że ta ewolucja nie została jeszcze zakończona. Wciąż istnieją nowe możliwości ewolucyjne do zrozumienia i zbadania w celu uzyskania jeszcze wydajniejszych enzymów. Enhanced PETase to nie koniec drogi. To dopiero początek - powiedziała Silveira.
W celu zastosowania, kolejnym krokiem jest przejście z laboratorium na skalę przemysłową. W tym celu konieczne będą dalsze badania związane z inżynierią reaktorów, optymalizacją procesów i redukcją kosztów.
