Te bakterije jedo plastične odpadke in jih nato spremenijo v uporabne izdelke

Te bakterije jedo plastične odpadke in jih nato spremenijo v uporabne izdelke

Časovni žig: 29. september 2023 12:30

Prvič sem slišal za Velika pacifiška smetišča, mislil sem, da je to slaba šala.

Moja nejevernost se je kmalu spremenila v grozo, ko sem spoznal, da je res. Smeti, znan tudi kot vrtinec pacifiškega smeti, je ogromna zbirka odpadkov v severnem Tihem oceanu. Čeprav je sestavljen iz vseh vrst človeških odpadkov, glavne komponente so drobni koščki mikroplastike.

Od slamic do vrečk za smeti uporabljamo osupljivo količino plastike – ki pogosto konča v občutljivih oceanskih (in drugih) ekosistemih. Glede na Center za biološko raznovrstnost, neprofitna organizacija za zaščito ogroženih vrst s sedežem v Arizoni, po trenutnih cenah plastike je nastavljen tako, da odtehta vse ribe v oceanu do leta 2050.

Nova študija želi obrniti tok s sintetično biologijo. Z inženiringom genskih vezij v bakterijski "konzorcij" je ekipa reprogramirala dva seva, da ne le uničita plastiko, ki onesnažuje okolje, temveč tudi pretvori strupene odpadke v uporaben biološko razgradljiv material. Okolju prijazna in vsestranska plastika se lahko uporablja za proizvodnjo pen, lepil ali celo najlona – vse to brez dodatnega obremenjevanja okolja.

Avtorji so povedali, da strategija ni omejena le na polietilen tereftalat (PET) – eno najpogostejših vrst plastike – testirano v študiji. "Osnovni koncept in strategije so potencialno uporabni ... za druge vrste plastike" in bi lahko začeli osvetljevati pot do "trajnostnega biogospodarstva."

Naravni plenilec iz plastike

Plastika je pomagala zgraditi sodobno družbo. Izdelan iz molekularnih verig, imenovanih polimeri, je voljan, vsestranski in ekonomičen za množično proizvodnjo. Prav tako je znano, da ga je težko razgraditi.

Dr. Jamesu Collinsu z MIT nam lahko sintetična biologija pomaga preprečiti, da bi planet spremenili v plastično pustinjo. Pionirji na področju inženiringa sintetičnih genskih vezij, avtorji študije Collins in bioinženir dr. Ting Lu z Univerze Illinois Urbana-Champaign so menili, da bi se z gensko spremenjenimi bakterijami lahko neposredno spopadli s plastično zagato.

Čeprav je strupena za večino organizmov, je plastika vir energije za nekatere vrste bakterij in gliv. Te bakterije, ki jih najdemo v zemlji, oceanih in celo črevesju živali, uporabljajo specializirani encimi za razgradnjo različnih vrst plastike. Encimi so beljakovine ki sprožijo ali pospešijo biološke procese – pomagajo nam na primer pri prebavi obilnega obroka ali pretvarjanju hrane v energijo.

Na žalost so ti naravni sevi so občutljivi na temperaturo in kislost ter lahko pogosto prebavi samo plastiko, ki je že poškodovana zaradi UV svetlobe ali kemikalij. Celo vrste, ki lahko razgradijo PET plastiko za to potrebujejo tedne ali mesece in lahko obravnavajo le majhne količine.

Sintetična nadgradnja

Tukaj sije sintetična biologija. Znanstveniki na tem področju uporabljajo genski inženiring, da bi dali organizmom nove sposobnosti – na primer bakterije, ki lahko proizvajajo inzulin – ali celo zgradili popolnoma nove oblike življenja, ki jih v naravi še nikoli nismo videli.

Pred nedavno študijo so znanstveniki začrtali številne encime, ki jih bakterije uporabljajo za uživanje plastike. S temi presnovnimi procesi so se ukvarjali z vstavljanjem ali brisanjem genetskega materiala – na primer, da bi pospešili svoje sposobnosti žvečenja plastike ali dodali encime, ki prebavljene plastične odpadke pretvorijo v nove, bolj zelene polimere.

To ni bilo gladko. Starejše metode delujejo na posamezne seve bakterij. Ko pa se soočimo z velikimi količinami odpadkov, so bakterije pogosto preobremenjene. Razpadli delci PET se kopičijo v notranjosti in zavirajo presnovo mikrobov, kar škoduje njihovemu zdravju.

Potem je tu še tehnološka grba. Nadgradnja plastičnih odpadkov v uporabne izdelke zahteva kompleksen genski inženiring. Da bi to dosegli, je skupina pojasnila, da so morali zgraditi "napredne oblikovalske poti", ki povezujejo več encimov za proizvodnjo končnega izdelka. Tako kot usmerjanje genetske simfonije je ta sintetična nadgradnja zahtevala fino uravnavanje celotnega notranjega celičnega delovanja bakterij – dovolj težak podvig pri manipulaciji z enim sevom.

Kljub temu so se spraševali, ali en sev ne more učinkovito opraviti dela. Kaj pa timsko delo?

Delitev dela

V naravi vidimo, da večvrstne mikrobne skupnosti sodelujejo pri biorazgradnji plastike, je povedala ekipa. Tako so bakterijsko delovno silo razširili z enega sintetičnega seva na preprost ekosistem dveh.

V središču tega ekosistema je delitev dela. PET se razgradi na dve glavni komponenti – tereftalno kislino in etilen glikol – z zelo različnimi lastnostmi. Mešani viri hrane so Ahilova peta mikrobov: so strašni presnovni večopravilniki, s potmi za razgradnjo ene molekule, ki pogosto zatrejo tiste druge.

Tukaj je ekipa zgradila svoj dinamični duo iz dveh sevov Pseudomonas putida, bakterije v obliki Cheetosa, ki jo pogosto najdemo v onesnaženi vodi in zemlji. En sev je imel okus po tereftalni kislini, drugi pa po etilen glikolu. Ta posebna vrsta bakterij je priljubljena pri raziskavah biorazgradnje, saj naravno prebavi aromatične molekule, kot je stiren, ki se pogosto uporablja za izdelavo plastike in gume. Prav tako je enostavno genetsko manipulirati in se lahko prilagodi novim presnovnim potem, zaradi česar je sev odlično izhodišče.

V vsakem naravnem sevu je ekipa izbrisala gene, ki sodelujejo pri presnovi tereftalne kisline ali etilen glikola, in dodala gene, ki so jim omogočili uživanje druge komponente.

Rezultat je bila ekipa za označevanje bakterij. Vsaka je bila zelo učinkovita pri prehranjevanju svojih plastičnih odpadkov, dobro sta sodelovala tudi pri skupnem gojenju – nobena vrsta ni ovirala prehrane druge. Oba sta se držala svojega vira hrane in srečno uspevala drug ob drugem.

Za primerjavo je ekipa izdelala tudi večopravilni sev, ki uživa oba plastična stranska proizvoda. V primerjavi s specializirano skupino za označevanje je en sam sev potreboval veliko dlje, da je prebavil odpadke tako posamezno kot tudi v mešanici.

Smeti v zaklad

Zdaj, ko so njihove bakterije popolnoma prebavile plastične odpadke, je ekipa nato integrirala več genov, da bi jih pretvorila v nove materiale.

Najprej so preoblikovali oba seva, da bi proizvedli zelo obetaven biološko razgradljiv polimer. Strategija je delovala izjemno dobro. V enem testu, ki je trajal več kot štiri dni, sta dva seva izčrpala želeni polimer z veliko večjo hitrostjo kot posamezen sev – in ga posledično proizvedla do 92 odstotkov več.

V drugem preizkusu je sistem učinkovito proizvedel kemikalijo, ki se pogosto uporablja za sintezo plastike in najlona – tisto, ki jo je znano, da je za posamezne vrste težko predelati z uporabo plastičnih odpadkov. Vse, kar je bilo potrebnih, je bilo nekaj genetskih zamenjav in delitev dela je zlahka ustvarila ciljno kemikalijo.

Ideja o recikliranje plastičnih odpadkov ni novost. V preteklosti so znanstveniki uporabljali toploto, silo in kemikalije, da bi razgradili odpadke in jih ponovno zgradili v uporaben material. Biokonverzija ponuja novo, čistejšo in učinkovitejšo pot. Vse reakcije potekajo znotraj mikrobov, kar v enem koraku povezuje razgradnjo odpadkov neposredno z želenim produktom. Mikrobe je tudi enostavno gojiti v industrijskih kadeh, kar omogoča povečano predelavo plastike.

Študija pospešuje to vizijo biološkega recikliranja, tako da naredi postopek učinkovitejši.

Ključni vpogled v študijo, je dejala ekipa, je, da je delitev dela še posebej pomembna za natančno nastavitev postopka predelave PET. Z nadaljnjim razvojem orodij verjamejo, da bi lahko sintetične bakterijske ekosisteme uporabili tudi za boj proti drugim plastičnim onesnaževalcem in odpadkom.

Kreditno slike: Marc Newberry / Unsplash

These Bacteria Eat Plastic Waste—and Then Transform It Into Useful Products PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Časovni žig:

Več od Središče singularnosti