Nowość w menu – politereftalan etylenu

Czy Ciebie też irytuje bezradność człowieka wobec wszędobylskiego plastiku? Na ratunek przychodzi nam nasza matka natura. I nie pozwala na marnotrawstwo.

Tekst: Mateusz Bembnista-Wilk

Każdy z nas jest świadomy, z jakim ogromnym problemem boryka się współczesny świat w związku z tak prozaiczną sprawą jak gospodarka odpadami. Szczególnym wyzwaniem w dzisiejszych czasach jest wszechobecny plastik, który towarzyszy nam od 1855 r., kiedy to Alexander Parkes otrzymał pierwsze tworzywo sztuczne, nazywane celuloidem. Natomiast prawdziwa plastikowa rewolucja nastąpiła w 1907 r., gdy Leo Baekeland stworzył bakelit, rozpoczęto masową produkcję i użycie tworzyw sztucznych. Oczywiście nie należy podkreślać tylko negatywnych konotacji związanych z plastikiem, ponieważ materiałowi temu zawdzięczamy intensywny rozwój różnych gałęzi przemysłu. Jednakże ze względu na szerokie używanie tworzyw sztucznych przy jednoczesnym braku skutecznych i bezpiecznych dla środowiska metod ich utylizacji, żyjemy w swoistym plastikonie. Parafrazując znany mit o Midasie, możemy zaryzykować stwierdzenie, że współczesny człowiek czegokolwiek się nie dotknie, zamienia to w plastik. Zresztą zdumiewające są statystki – w 1950 r., wyprodukowano 1,9 mln ton tworzyw sztucznych, natomiast w 2015 r. aż 322 mln ton.

Próbka zawierająca folię PET i utworzone na nim konsorcjum bakterii. [źródło: A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)]

Światełko w tunelu

W świetle ostatnich odkryć w dziedzinie mikrobiologi wydaje się, że na pomoc mogą przyjść nam, równie wszędobylskie jak plastik, bakterie. Okazuje się bowiem, że natura jak zawsze nie próżnuje i powoli zaczyna sprzątać bałagan, który po sobie zostawiamy.

Pozwólcie, że zaprezentuję wam ciekawego osobnika, który dokonał niemożliwego i potrafi skonsumować, a tym samym zutylizować, PET (politereftalan etylenu).

Zanim jednak przejdziemy do głównego tematu, przypomnę, że tworzywa sztuczne to materiały, które złożone są z polimerów syntetycznych wytworzonych przez człowieka lub zmodyfikowanych polimerów naturalnych i dodatków modyfikujących. Do tworzyw sztucznych należy PET – politereftalan etylenu, który uznawany był do tej pory za niemożliwy do rozkładu ze względu na fakt, że jego łańcuchy polimeryczne są praktycznie niezniszczalne. Co więcej, czas rozkładu przykładowej butelki PET na drobiny mikroplastiku wynosi od 100 do nawet 1000 lat. Okazuje się jednak, że to, jak i wiele innych twierdzeń, musimy zmienić z powodu działalności pewnej odkrytej niedawno bakterii.

Obraz SEM ukazujący komórki Ideonella sakaiensis, strzałki wskazują na miejsca styku komórki ze strukturą filmu PETu. [źródło: A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)]

Gość programu: Ideonella!

Ideonella sakaiensis 201-F6 została opisana przez japońskich naukowców z Department of Biosciences and Informatics z Keio University w 2016 r. i według przedstawionych badań jest zdolna do degradacji i asymilacji PET. Dość specyficzne imię ma ta bakteria, prawie jak dziecko Elona Muska.

W publikacji naukowej pt. A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate) grupa badawcza przedstawiła, w jaki sposób odkryła bakterię, opisała proces rozkładu politereftalan etylenu przez Ideonella sakaiensis 201-F6 oraz podała, jakimi metodami zostało wykonane to badanie.

W trakcie eksperymentu badacze zebrali 250 próbek środowiskowych skażonych odpadami PET, w tym gleby, ścieki i osad czynny z zakładu recyklingu plastikowych butelek. W toku przeprowadzonych badań poszukiwano mikroorganizmów, które mogłyby używać niskokrystalicznych powłok politereftalanu etylenu (1,9 proc.) jako głównego źródła węgla dla swojego wzrostu. W jednej z próbek w obrazie mikroskopowym zaobserwowano na powierzchni PET wyodrębnione konsorcjum mikrobiologiczne złożone z mieszaniny bakterii, komórek drożdżopodobnych i pierwotniaków, które degradowały powierzchnię folii PET z szybkością 0,13mg/cm2 na dzień w temperaturze 30°C. Poprzez zastosowanie ograniczających rozcieńczeń konsorcjum, udało się wyizolować bakterię zdolną do degradacji i asymilacji PET. Szczep ten reprezentuje nowy gatunek bakterii z rodzaju Ideonella, dla którego, jak już wspomniano, naukowcy zaproponowali nazwę Ideonella sakaiensis 201-F6.

Odkryta bakteria wytwarza dwa specjalne enzymy hydrolityczne, które badacze zidentyfikowali jako hydrolazę PET (PETaza) i hydrolazę mono(2-hydroksyetylo)tereftalanu (MHETaza), które synergistycznie przekształcają PET w monomeryczne elementy budulcowe. Pierwszy z nich tnie polimer poliestrowy, z którego zbudowany jest PET, na mniejsze kawałki – jego elementy budulcowe.

Drugi enzym, MHETaza jest hydrolazą, która rozszczepia kwas mono(2-hydroksyetylo)tereftalowy, produkt degradacji PET przez PETazę, do glikolu etylenowego i kwasu tereftalowego. Co jest istotne, dwie powstałe substancje, glikol etylenowy i TPA, mogą łatwo zostać rozłożone do dwutlenku węgla i wody poprzez inne mikroorganizmy. Podsumowując, należy stwierdzić, że para enzymów, PETaza i MHETaza, umożliwia bakterii Ideonella sakaiensis 201-F6 życie na plastikowym PET jako jedynym źródle węgla. Co powyższe odkrycia oznaczają dla ludzkości i jak możemy je wykorzystać?

Obraz SEM zdegradowanej folii PET po 70 dniach. [źródło: A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)]

Możliwości

Należałoby tutaj wykrzyknąć: Eureka! Badaczom udało się również wyodrębnić gen o nazwie ISF6_4831, który koduje powstawanie PETazy, a co więcej, został on zreprodukowany, a następnie użyty do eksperymentu, który udowodnił, że sam enzym bez bakterii wystarczył, aby skutecznie zdegradować PET.

Obecnie, aby w pełni wykorzystać powyższe odkrycia, przed naukowcami stoją nowe wyzwania zmierzające do udoskonalenia i wzmocnienia enzymu genetycznie w taki sposób, aby mógł rozkładać znacznie szybciej i wydajniej. Dobrą wiadomością jest to, że w The Centre for Enzyme Innovation na Uniwersytecie Portsmotouh, grupie badaczy pod nadzorem prof. Johna McGeehana udało się udoskonalić enzym, dzięki czemu przyspieszyli rozkład PET-u aż o sześć razy. Poza tym naukowcy w tym ośrodku rozpoczęli poszukiwanie bakterii podobnego typu co Ideonella sakaiensis 201-F6 w celu odkrycia innych enzymów, następnie ich skopiowania i dystrybucji do przedsiębiorstw zajmujących się m.in. recyklingiem.

Jest więc nadzieja, że wyizolowany enzym mógłby być stosowany na skalę przemysłową, a co za tym idzie, proces rozkładu tworzyw sztucznych byłby szybszy, a recykling znacznie usprawniony i bardziej precyzyjny.

Poza tym pojawił się pomysł na wykorzystanie powstałych po rozłożeniu politereftalan etylenu produktów: glikolu etylenowego i DMT, które można byłoby użyć do wytworzenia innych produktów. Prof. Anna Meyer z Technical University of Denmark zasugerowała, że glikol etylenowy może być stosowany bezpośrednio w płynie niezamarzającym, na który jest duże zapotrzebowanie min. w produkcji płynów do chłodnic samochodowych, czy też w urządzeniach wykorzystujących ten związek (lodówka, instalacja grzewczo-chłodnicza). Dodatkowo płyn ten w obecnej technologii wytwarzany jest z materiałów nieodnawialnych.

Osobiście uznaję, że to odkrycie daje nadzieję na lepszą przyszłość, o którą w tej chwili walczymy. Oczywiście nie rozwiązuje ono w pełni naszej katastrofalnej sytuacji zanieczyszczenia środowiska naturalnego odpadami z tworzyw sztucznych, lecz na pewno jest to pierwszy krok ku lepszemu. To co najbardziej napawa optymizmem to fakt, że natura sama w sobie może stać się naszym sprzymierzeńcem w walce o jej dobrostan. Zdumiewa mnie jednak, że pojedyncza bakteria znalazła sposób na utylizację śmieci, z którymi człowiek nie potrafi sobie skutecznie poradzić od wielu już lat. Wygląda na to, że możemy liczyć na naturę, wystarczy tylko dać jej czas. Jednakże uważam również, że to my sami powinniśmy o działać w kierunku ograniczania stosów zalegającego wszędzie plastiku, cichego zabójcy zwierząt morskich i lądowych, a także nas samych. Determinantem tych działań musi być świadomość, że wszyscy odpowiadamy za naszą planetę.

Degradacja PETu na glikol etylenowy i TPA, nie zostały ukazane produkty uboczne. [źródło: Structure of the plastic-degrading Ideonella sakaiensis MHETase bound to a substrate]