https://bodybydarwin.com
Slider Image

يحرز العلماء تقدمًا في البكتيريا الأفضل تناولًا للبلاستيك

2021

كان عالم الأحياء الجزيئي ، كريستوفر جونسون ، يدور في إحدى الحفلات منذ وقت ليس ببعيد ، ويتحدث مع ضيف آخر عن أبحاثه ، كما يفعل العلماء كثيرًا. يعمل جونسون على تحطيم المواد البلاستيكية ، والتي تميل إلى أن تكون شديدة المقاومة لمثل هذه الأشياء.

أجابته المرأة التي كان يتحدث معها في هذه الحفلة الساحرة قبل الزفاف بأنها شعرت بالإرهاق - ميؤوس منها - حيال الوضع برمته: كيف لا يبدو أننا نتوقف عن استخدام البلاستيك ، وكيف يحتشدون في مقالب القمامة ، وكيف تتخلل جزيئاتها الدقيقة المحيطات.

طغت جونسون الفكر. ميؤوس منها .

"أنا عالم بعيد عن هذا المنظور" ، يقول جونسون ، متذكراً رد فعله.

ذلك لأن البلاستيك لا يحدث فقط لجونسون. انه يحدث لهم. جونسون عالم أبحاث في المختبر الوطني للطاقة المتجددة ، وفي العام الماضي ، ابتكر هو وزملاؤه إنزيمًا بيولوجيًا يمكنه المضغ بكفاءة من خلال المواد البلاستيكية القابلة للإزالة مثل تلك التي تصنع زجاجات المياه وحاويات الصابون. يشعر الفريق بالتفاؤل من أنه بإمكانه هندسة عالم يواصل فيه البشر استخدام هذه المادة الزائدة - دون أن ينتهي بهم المطاف حرفيًا أو مجازيًا. في هذا العالم ، وكجزء من نظام إعادة التدوير الأوسع والأكثر قوة ، ستقوم الكائنات الحية المجهرية بضم البوليمرات إلى مكوناتها الكيميائية حتى تتمكن من تحقيق ربح كمنتجات جديدة وأفضل.

حاليًا ، لا تؤدي إعادة التدوير فعليًا إلى تحويل البلاستيك إلى أي شيء ، من الناحية الكيميائية: إنه يؤدي فقط إلى طحن النفايات إلى أجزاء أصغر ، مثل تمزيق الورق إلى شرائح. ثم يعيد المصنعون تصنيع هذه القطع إلى بلاستيك منخفض الجودة. في إعادة التدوير الحيوي ، كما يسميها في الحقل ، تمنحك الكائنات التي تأكل البلاستيك المواد الأساسية لصنع مواد جديدة ، وفي نهاية المطاف ، سلع.

استحوذت مجموعة جونسون ، على وجه الخصوص ، على خيال الجمهور لأن اكتشافها كان عرضيًا وصنع قصة رائعة. خشي المتشككون من أن الجهد قد يأتي بنتائج عكسية - فقد تبدأ مروجو الكائنات المعدلة وراثيا المارقة في التمسك بالبوليمرات الخاطئة. مثل لوحة القيادة في سيارتك. وأنت تقود. إنه احتمال بعيد للغاية ولكن ليس مضللاً تمامًا.

كل هذا القمامة البلاستيكية ، بعد كل شيء ، هو في حد ذاته نتيجة غير مقصودة. بدأت المواد الاصطناعية ، جزئيًا ، كبديل للعاج لإنقاذ الفيلة من الذبح. لكن هذا الابتكار أوصلنا إلى ما وصلنا إليه اليوم: طغت ويأس. كمية البلاستيك التي ينتجها الإنسان كل عام - أكثر من 300 مليون طن - تزن حوالي خمسة أضعاف كمية جميع الناس مجتمعين.

نحن نستخدم معظم البوليمرات الحديثة لدينا مرة واحدة فقط: في زجاجات المياه ، زجاجات الشامبو ، زجاجات الحليب ، أكياس الرقائق ، أكياس البقالة ، أدوات تحريك القهوة. كل عام ، ما يقرب من 9 ملايين طن من القمامة ينتهي في الخارج. ربما تكون قد سمعت عن غريت باسيفيك باتش باتش: منطقة تقع في النصف الشمالي من المحيط حيث تتجمع التيارات الدوارة مع كل هذا الرفض. ولكن هل تعلم أنه بحلول عام 2050 ، يمكن لأعالي البحار ممارسة رياضة أكثر من الأسماك؟

الحضارة لا تقوم بعمل رائع للتنظيف من تلقاء نفسها ، جزئياً ، يعتقد جونسون وفريقه ، لأنه لم يكن هناك حافز اقتصادي كبير على الإطلاق. ولكن إذا كان بإمكانك أخذ هذه اللبنات البلاستيكية وتجميعها في شيء أكثر قيمة من "الأصلي" - مثل قطع غيار السيارات أو توربينات الرياح أو حتى ألواح التزلج على الأمواج - فيمكنك تغيير حساب التفاضل والتكامل. يمكن للشركات أن تقوم بعمل جيد لأنفسها عن طريق الخير للعالم.

يعمل الكثير من فريق الإنزيم العرضي في المختبر الوطني للطاقة المتجددة في جولدن ، كولورادو. يتجه الحرم الجامعي إلى سفوح جبال روكي التي تنحدر بسرعة من قمم الجبال إلى 14000 قدم. الألواح الشمسية تحتل أسطح جميع المباني تقريبًا. داخل مبنى مختبر التجارب الميداني ، حيث تعمل المجموعة ، يعمل طيف ROYGBIV من أنابيب المرافق على امتداد الأسقف والجدران. مختبرات مليئة بالثلاجات والحاضنات والمجاهر ذات القدرة العالية تعمل خلف مداخل الوصول إلى البطاقة. وفي قاعة اجتماعات صغيرة في الطابق الأرضي ، توجد مصفوفة من الشاشات تضيء أربعة علماء.

إنهم ، إلى جانب زملائهم في فلوريدا وإنجلترا والبرازيل ، يشكلون فريقًا من الأحلام لهذا البحث المعين في إعادة التدوير الحيوي: يقوم نيكولاس رورير بإنشاء بوليمرات. يحاول جريج بيكهام اكتشاف كيف تحطم المواد الكيميائية البكتيرية والفطرية مركبات مثل السليلوز ، المكون الرئيسي في جدران الخلايا النباتية والعديد من الخضار. يدرس براون دونوهو كيف تعمل الخلايا التي تحتوي على إنزيمات تأكل البوليمر. جونسون مهندسون أنواع جديدة من الخلايا التي تفرز تلك الإنزيمات. تعد مجالات الخبرة هذه أساسية لاستكشاف كيف تنغمس البكتيريا في شهيتها للبلاستيك - وكيفية معالجتها لتصبح وجبات خفيفة أفضل.

على إحدى الشاشات التي تقف وراءها ، يتزلج إنزيم على طول سيلولوز عن قرب ، ويمضغ الخيوط الفردية ويبصقها مرة أخرى ككتل من السكر - تجربة تناول الطعام القصوى. يقول العلماء إن هذه المحاكاة هي نفس الطريقة التي يلتقي بها البوليمر مع هذا التطابق.

علم الطاقم لأول مرة بالمفهوم عندما أصدر عدد مارس / آذار 2016 من مجلة Science أخبارًا مفادها أن الباحثين في اليابان اكتشفوا نوعًا غريبًا من البكتيريا في عينات من التربة بالقرب من مصنع لإعادة تدوير الزجاجات في مدينة ساكاي. يمكن أن تتجمع من خلال البولي إيثيلين تيريفثالات ، المعروف باسم PET ، والذي يستخدمه المصنعون على نطاق واسع لصنع زجاجات وحاويات بلاستيكية. وجد فريق بقيادة كينجي مياموتو ، عالم الأحياء في جامعة كيو ، أن الكائن الحي أخرج إنزيمًا ، أطلقوا عليه اسم بيتاز ، وجردوا البوليمر إلى قطع كيميائية. أطلقوا على هذا الكائن الحي المدهش Ideonella sakaiensis بعد مدينته الأم. ومع ذلك ، ليس من أجل حل Ideonella ولكنه لم يعمل بسرعة كافية: بالنظر إلى ستة أسابيع ودرجات الحرارة الاستوائية ، يمكن أن تأكل من خلال فيلم PET. ليس بالضبط الاشياء من محطات إعادة التدوير فعالة. بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب الحصول عليها لتنمو بعض الرعاية والتغذية بعناية.

بعد فترة وجيزة من نشر مقال المجلة ، وجد بيكهام نفسه في إنجلترا ، حيث تناول بيرة مع جون مكجيهان من جامعة بورتسموث ، وهو زميل في أبحاث السليلوز وخبير في رسم خرائط أنزيمات صغيرة. بدأوا في طرح الأفكار حول كيفية الجمع بين القوات لفهم أفضل لكيفية هضم PETase PET. بعد كل شيء ، نظر عملهم بالفعل في الكيفية التي تتحلل بها الطبيعة الطبيعية - على سبيل المثال ، كيف تستخدم البكتيريا والفطريات الإنزيمات لهضم السليلوز. ربما هذا العمل يمكن أن يساعدهم على فهم كيف ينهار الطبيعية الاصطناعية.

بعد نصف ساعة من العصف الذهني ، جند الاثنان جونسون ودونوه ورورر ، بالإضافة إلى زميل آخر في فلوريدا ، لي وودكوك ، التي تحاكي نماذجها الحاسوبية المتطورة كيفية عمل المواد الكيميائية الخلوية. ثم بدأوا.

أولاً ، احتاج الفريق إلى فهم كيفية تعطل PETase للبلاستيك الذي تم اختياره. تشبه الجزيئات الموجودة في البوليمر طوب Lego المتصل الذي يمكن أن يتفكك. ل PET ، PETase هو ساحبة. ولكن لفهم كيف يمكن للبيتيز أن يمسك بجزيئات البلاستيك وعزم الدوران فيها ، يحتاج الفريق إلى ما يكفي من الإنزيم ليكون قادرًا على رسمه.

هنا جاءت خبرة جونسون الخلوية. بالعمل مع شركة خارجية ، قاموا بتوليف الجين الذي ينتج PETase بحيث يمكن انزاحه لاحقًا إلى E. coli كائن وحيد الخلية سريع النمو وسهل النمو في المختبر. أرسل الكود الوراثي عبر البركة إلى مختبر مكجيهان. هناك ، تسمم الطعام المسعور لديه بعض اليرقة وبدأ في ضخ PETase.

قام مكجيهان بتقطير إنزيم PETase إلى مرفق به مجهر أشعة سينية فائق القوة يستخدم الضوء أقوى بعشرة مليارات مرة من الشمس لاستكشاف العينات وإنشاء صور ذات مقياس ذري. داخل المجهر الغريب ، وجه مغناطيس فائق البرودة الأشعة السينية حتى يتمكن العلماء من رؤية PETase نفسه - وليس فقط آثاره في صناعة goo.

يشبه الإنزيم ، إلى العين غير المدربة ، الطفل المحبوب لأسفنجة البحر وعقل بشري. أو ، إذا كنت عالم أحياء محظوظًا جدًا ، فيبدو تمامًا مثل cutinase ، مجتذب cutin ، بوليمر شمعي يغطى العديد من النباتات. يحتوي Cutinase على حفرة ضيقة الشكل على شكل حرف U تسقط في شكل cutin تمامًا. PETase لديه نفس U ، أوسع فقط ، وكأنه نوع من cutinase في مرآة منزل المرح. يشق PETase U إلى PET ، مثل وجهي قلادة BFF.

هذه فكرة لم يخطر ببالها من قبل بيكهام في ذلك الوقت: لقد طور الإنزيم ، في البداية ، ليأكل كوتين ، ومن الواضح أنه تكيف في وجود الكثير من القمامة للحصول على طعام مفضل جديد.

في الشكل والوظيفة والفكرة التطورية في متناول اليد ، قدم الفريق ورقة للنشر في أكتوبر 2017. ولكن قصة الأصل - الجزء الأكثر حبيبة - كانت مشكلة. يتذكر بيكهام: "قال أحد المراجعين لدينا ،" لا ، عليك إظهار ذلك ".

سيكون هذا نشاط هراء يتخيله. بدا واضحا جدا أن cutinase قد داروين في طريقه إلى PETase. ولكن لإظهار كيف حدث ذلك ، سيتعين عليهم إعادة عقارب الساعة التطورية ، وتقليص الجزء العريض من PETase U مرة أخرى إلى أوزة مبكرة ، وفي هذه العملية ، ظنوا ، مما يجعله غير قادر ، أو على الأقل أقل قدرة ، على المضغ بلاستيك. بعد ذلك ، كانوا سيعكسون مسارهم ، ويعيدون الكيناز إلى بيتاز ، ويظهرون كيف أصبح الآخر.

سيتعين على بيكهام أن يأكل (وهضم) تلك الكلمات.

---

بدأ الفريق في النصف الأول من التجربة بتحويل PETase مرة أخرى إلى cutinase ، في أواخر عام 2017. أولاً ، قاموا بتعديل الحمض النووي الذي يصنع الإنزيم PETase. على وجه التحديد ، قاموا بتحور اثنين من الأحماض الأمينية ، لذا فإن بدائلها مقرونة في U ، مما يخلق إنزيمًا أقرب إلى كونازيناز. من جانبه ، بدأ Rorrer - الرجل البوليمر - في حصاد الزجاجات من زملائه ، بما في ذلك الموظفين المفضلين مثل Diet Pepsi و Diet Dr Pepper. (واليوم ، لا يزال القمامة يصطف في الجزء العلوي من مقصورته). لقد استخدم أداة ثقب مكتب قياسية لإخراج الدوائر. ثم وضع هؤلاء في أماكن قريبة مع إصدارات من الإنزيم المعدل ، متوقعًا أن يعود ليجد أنه يحقق الحد الأدنى من التقدم ، إن وجد.

ولكن هذا ليس ما حدث. عندما عاد Rorrer بعد أربعة أيام ، وجد أن الإنزيم المخترق لم يكن يعمل فحسب ، بل كان يأكل حوالي 30 بالمائة أكثر من PETase من مصنع Sakai لإعادة التدوير. بدأ أعضاء الفريق في التشكيك في أنفسهم. ربما أسيء تسمية عينات فكر ررر. دونوهو ، أخصائي تفكيك الخلايا ، اشتبه في أنهم خلطوا العينات. كرروا التجربة مرتين أخريين لكنهم استمروا في الحصول على نفس النتيجة: كان لدى الانزيم الجديد شهية جيدة. يتذكر دونوهو أنني أحب ، 'أعتقد أن علينا تصديقه ، على الرغم من أنني لا أعرف كيف ".

لا تزال النتيجة مفتوحة ما إذا كانت PETase قد تحولت من cutinase في "أوه" ، بالطبع ، كان الفريق قد توقع. لكن النتيجة غير المتوقعة لا تزال خبراً جيداً: إنها تعني أنه يمكنهم تحسين ما حدث بالفعل من تطور. يقول بيكهام ، المهندس الكيميائي: "لم تجد الطبيعة بالضرورة الحل النهائي".

عندما أعلنوا عن هذا الاكتشاف في أبريل 2018 ، اندفع الناس إلى أدائه. حصل جون مكجيهان على جائزة Goop من Gwyneth Paltrow's pseudoscience wellness. حاول أن يرفضها ، لكن لا يوجد رفض لجوينيث بالترو. لكن بالنسبة لهذه المجموعة ، لم تكن مشهورة بما فيه الكفاية. وتحسين PETase قليلا لم يكن كذلك. يقول بيكهام: "ربما هناك مجال هنا لجعله أفضل بكثير".

يتبين أن Ideonella sakaiensis بعيد عن الكائن الوحيد الذي يمكنه استخدام النفايات البلاستيكية كوقود. يقول المهندس الوراثي جونسون: "من المحتمل أن تتطور البكتيريا لتتناول الأشياء من حولها. لقد عرف علماء الأحياء لعقود من الزمان أن الإنزيمات الموجودة ، مثل الاسترات التي يطلق عليها والتي تبث الميكروبات والفطريات ، يمكن أن تتحلل من PET والنايلون.

تحمل المواد البلاستيكية العائمة في بحيرة زيورخ أربعة كائنات حية تستعد لتناول البولي يوريثين. في المحيط ، اكتشف الباحثون في الهند أنواعًا بكتيرية يمكن أن تتحلل من مادة البولي فينيل الكحولية ، والتي تحتوي على ورق مقاوم للماء. عثرت مجموعة أخرى على فطريات يشبه كوتيناز الحيوانات الأليفة. ومع ذلك ، لا يمكن لأي منها أن يصوم بسرعة كافية على نطاق واسع ليكون مفيدًا للصناعة. مع إنتاج أكثر من 300 مليون طن من البلاستيك كل عام ، ستحتاج الكائنات الحية إلى حوالي 906000 طن في جميع الأيام المنتهية في y لإنجاز المهمة. يستغرق أربعة أيام لحل سطح زجاجة الدايت دكتور بيبر ليست سريعة بما فيه الكفاية.

في بحثه عن أفضل من يتناولون البوليمرات ، قام فريق الأحلام مؤخرًا بتوظيف لاعبين جدد من جامعة ولاية مونتانا الذين يدرسون المتطرفين المغليين في حمامات يلوستون الزاهية الألوان. يلقي السياح الذين يلاحقون أنفسهم الكثير من القمامة على الينابيع الحارة. في درجات حرارة مثل هذه - في بعض الأحيان أكثر من 400 درجة - يذوب البلاستيك.

بالنسبة للبكتيريا ، فإن مضغ الوجبات السريعة المحملة يشبه السرعة: كل شيء يحدث بشكل أسرع كثيرًا. إذا تمكن العلماء من العثور على نبتة بالغة الشدة ، أو هندسة واحدة ، تحبه ساخنة وتأكل PET ، فإنهم يقتربون خطوة واحدة من عملية تعمل بسرعة كافية لتكون مفيدة في العالم الحقيقي.

في هذا السيناريو ، تقوم محطة إعادة التدوير المستقبلية بتسخين أو تقطيع البلاستيك ، ثم رميها في قدر كبير من الماء الساخن ورشها في بعض PETase (أو أي إنزيم جائع آخر). ومن شأن ذلك أن ينتج حساء المكونات متعددة المقاطع: حمض تيريفثاليك وجلايكول الإيثيلين ، الأشياء التي يمكن للشركات أن تدور في بوليمرات أقوى وذات قيمة عالية.

أولاً ، يحتاجون إلى إنزيم أفضل. "ستجد الحياة طريقة يقولها بيكهام وهو يبتسم وهو يعيد صياغة الحديقة الجوراسية . ومع ذلك ، يمكن أن تستخدم الطبيعة مساعدة. لذلك يبدأ الفريق من خلال استغلال سر التطور: طفرة عشوائية. في بعض الأحيان ، تجعل الشفرة الوراثية الجديدة الكائن الحي أفضل ملاءمة لبيئته ، و يعيش الميكروب لتمرير هذا النبالة إلى نسله ، ومع ذلك ، في المختبر ، يمكننا تسريع التطور من خلال إطعام الحيوانات الأليفة التي ربما تكون من البلاستيك فقط PET ، وإذا لم يجلسوا لتناول العشاء ، فإنهم يتضورون جوعًا.

يحاول الفريق أيضًا خلق حياة جديدة عن طريق حقن جين PETase في بكتيريا أقل إرضاءًا من Ideonella . يقوم بيكهام بسحب ورقة غير منشورة وانتقل إلى الصور قبل وبعد. بعد أربعة أيام في أنبوب اختبار به طفرة جديدة ، فإن القليل من البلاستيك المثقوب هو ما يسميه "مزيج حساء من الهراء. حماقة هنا ، هي أجزاء بلاستيكية تمضغها.

الجهد ، وبعبارة أخرى ، هو العمل. بينما ينظر بيكهام إلى صوره ، يضحك ويتذكر رابطًا أرسله إليه الناس عندما خرجت أول ورقة للفريق. وأشار إلى كتاب صدر عام 1971 بعنوان Mutant 59: أكلة البلاستيك . في الحكاية ، يتولى فيروس مذاب في البوليمر - قتل المركبات الفضائية ، تحطم الطائرات ، غرق الغواصات ، والتسبب بشكل عام في فوضى لا يمكن السيطرة عليها لأنها تدمر كل ما يبدو من البلاستيك في العالم.

يخطط الباحثون غير الخياليين لبقاء الكائنات الحية المهندسة في المختبر ، وفي الأنابيب ، وفي النهاية في العمليات الصناعية. قد توجد مثل هذه الكائنات الحية بالفعل من الخارج ، بعد أن تطورت بالطريقة القديمة. تذكر أن العالم به بكتيريا تأكل الكثير من الأشياء الأخرى التي نحبها: المعادن ، الخبز ، الجبن ، بشرتنا. وما زلنا جميعًا هنا ، نخبز الخبز والجبن ، نجلس على كراسي معدنية. نظرًا لبداية رأس طويلة ، لم تتمكن الميكروبات من الاستيلاء عليها. لذلك ، ما لم تتحسن الطبيعة بشكل ملحوظ بشكل ملحوظ (استغرق الأمر نحو 50 عامًا لصنع نسخة غير فعالة من PETase) ، أو قيام أحد الممثلين المارقين بانقلاب ، فلن يقوم أي من الوحوش الصغيرة بتجول قوارب الكانو Walmart في أي وقت قريب.

يعطي بيكهام مصداقية أكبر للقلق من أن الكربون ، الذي يبصق أثناء عملية الهضم ، يصبح في نهاية المطاف ثاني أكسيد الكربون ، وهو غاز الدفيئة الذي يساهم في تغير المناخ. لكن أي إضافة سوف تتضاءل بسبب الغازات من الصناعات الأخرى. مجموعته لا تريد عالما حيويا ولا عالم بلا مواد بلاستيكية.

بدلا من ذلك ، تهدف إلى خلق حافز اقتصادي حقيقي لاستصلاح معظم البوليمرات. الآن ، ما يخرج من نهاية إعادة التدوير هو PET مع روابط أضعف: من الصعب إنتاج زجاجة أخرى منها ، وتستحق حوالي 75 في المائة مما كانت عليه البلاستيك الأصلي. يذهب إلى المنسوجات أو السجاد. تلك عادة ما تصل الرياح في مقالب القمامة.

وعلى الرغم من ذلك ، فإن التكسير البيولوجي للبلاستيك ينتج مكونات يمكن أن تصبح مقدمة لثمن المواد مثل Kevlar ، التي تبيع مرتين أو ثلاثة أضعاف ما يُعاد تدويره من PET وتذهب إلى منتجات مقاومة للإجهاد مثل ألواح الثلج. تمنح هذه المواد الشركات سببًا نقديًا لاستعادة البلاستيك. قد يستخدمها المبتكرون في بناء طائرات أكثر طيرانًا ، وسيارات أكثر كفاءة ، وأشياء قوية وخفيفة الوزن لم نفكر فيها بعد. الأشياء التي ربما تقوم بدورها لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة.

هذا العالم لن يوجد غداً ، أو العام المقبل. لكنه مستقبل متوقع ، يتم توليفه من خلال ميكروبات فريق الأحلام ، أو غيرها ، وأيًا كانت الطبيعة التي تجلبها إلى طاولة النزهة البوليمرية. إذا نجحوا ، فسنكون قادرين على التعايش مع البلاستيك ، وليس فوق كومة منهم.

تم نشر هذا المقال في الأصل في صيف عام 2019 ، اجعله آخر إصدار للعلوم الشعبية.

ستبحث روبوتات الملاحة البحرية هذه عن الحياة عبر النظام الشمسي

ستبحث روبوتات الملاحة البحرية هذه عن الحياة عبر النظام الشمسي

ما يمكنك فعله لمنع Google - وغيرها - من تتبع هاتفك

ما يمكنك فعله لمنع Google - وغيرها - من تتبع هاتفك

كاليفورنيا تقول مبيدات الأعشاب الشعبية تسبب السرطان

كاليفورنيا تقول مبيدات الأعشاب الشعبية تسبب السرطان