Funn av en internasjonal gruppe forskere, som inkluderer to brasilianere, kan bidra til å minimere forurensning forårsaket av materialet
En internasjonal gruppe forskere, der to brasilianere fra University of Campinas (Unicamp) deltar, klarte å forbedre ytelsen til PETase, et enzym som kan mate på polyetylentereftalat, PET-plast. Etter at PETase ble oppdaget i en ny bakterieart i 2016, jobbet forskergruppen for å få strukturen til enzymet og forstå dets funksjon. I denne prosessen endte de ved en tilfeldighet med å skape en mutasjon av enzymet som har en enda større affinitet med PET - det vil si et større potensial for å nedbryte plast.
Arbeidet har et enormt potensial for praktisk bruk, siden det anslås at mellom 4,8 og 12,7 millioner tonn plast lanseres hvert år i havene - et tall som bare har en tendens til å vokse. Plast, som akkumuleres selv på de mest avsidesliggende strendene på planeten, brukes så nøyaktig på grunn av deres motstand mot nedbrytning, som er det som mest truer miljøet. Når den kastes, kan for eksempel en PET-flaske forbli i miljøet i 800 år - i tillegg til det voksende og alarmerende problemet med mikroplast.
- Forstå miljøpåvirkningen av plastavfall for næringskjeden
- Hva er opprinnelsen til plasten som forurenser havene?
Med alt dette er det lett å forstå den store interessen som ble oppdaget av oppdagelsen av et enzym som er i stand til å fordøye polyetylentereftalat. Dette enzymet, kalt PETase, har nå økt evnen til å nedbryte plast. Nyheten ble beskrevet i en artikkel publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences i USA (PNAS).
To forskere fra Chemistry Institute ved State University of Campinas (IQ-Unicamp) deltok i forskningen, i samarbeid med forskere fra Storbritannia (University of Portsmouth) og USA (National Renewable Energy Laboratory). De er postdoktor Rodrigo Leandro Silveira og hans veileder, full professor og dekan for forskning ved Unicamp Munir Salomão Skaf.
“Polyetylentereftalat, som hovedsakelig brukes til fremstilling av drikkeflasker, er også mye brukt til fremstilling av klær, tepper og andre gjenstander. I vår forskning karakteriserte vi den tredimensjonale strukturen til enzymet som var i stand til å fordøye denne plasten, konstruerte den, økte nedbrytningskraften, og demonstrerte at den også er aktiv i polyetylen-2,5-furandikarboksylat (PEF), en erstatning for PET produsert av fra fornybare råvarer, ”sa Silveira til Agência FAPESP.
Interessen for PETase oppstod i 2016, da en gruppe japanske forskere, ledet av Shosuke Yoshida, identifiserte en ny bakterieart, Ideonella sakaiensis , i stand til å bruke polyetylentereftalat som karbon- og energikilde - med andre ord i stand å mate på PET. Det er frem til i dag den eneste kjente organismen med denne kapasiteten. Den vokser bokstavelig talt på PET.
”I tillegg til å identifisere Ideonella sakaiensis , oppdaget japanerne at de produserte to enzymer som utskilles i miljøet. En av de utskilte enzymene var PETase. På grunn av sin grad av krystallinitet er PET en polymer som er veldig vanskelig å nedbrytes. Vi bruker teknisk betegnelsen "recalcitrance" for å nevne egenskapen som visse høyt pakkede polymerer har for å motstå nedbrytning. PET er en av dem. Men PETase angriper og bryter det ned i små enheter - mono (2-hydroksyetyl) tereftalsyre (MHET). MHET-enhetene blir deretter omdannet til tereftalsyre [av et andre enzym] og absorbert og metabolisert av bakteriene, ”sa Silveira.
Alle kjente levende ting bruker biomolekyler for å overleve. Alle unntatt Ideonella sakaiensis, som klarer å bruke et syntetisk molekyl, produsert av mennesker. Dette betyr at denne bakterien er resultatet av en veldig nylig evolusjonær prosess, som skjedde de siste tiårene. Den klarte å tilpasse seg en polymer som ble utviklet på begynnelsen av 1940-tallet og først begynte å bli brukt i industriell skala på 1970-tallet. For det er PETase den viktigste delen.
“PETase gjør den vanskeligste delen, som er å bryte den krystallinske strukturen og avpolymerisere PET i MHET. Arbeidet med det andre enzymet, som transformerer MHET til tereftalsyre, er allerede mye enklere, siden substratet er dannet av monomerer som enzymet har lett tilgang til fordi de er spredt i reaksjonsmediet. Derfor fokuserte studiene på PETase ”, forklarte Silveira.
Det neste trinnet var å studere PETase i detalj, og det var bidraget fra den nye forskningen. “Vårt fokus var å finne ut hva som ga PETase muligheten til å gjøre noe andre enzymer ikke klarte å gjøre veldig effektivt. For dette var det første trinnet å oppnå den tredimensjonale strukturen til dette proteinet, sa han.
“Å oppnå den tredimensjonale strukturen betyr å oppdage x-, y- og z-koordinatene til hvert av de tusen atomer som utgjør makromolekylet. Våre britiske kolleger utførte dette arbeidet med en kjent og brukt teknikk, kalt røntgendiffraksjon, forklarte han.
Modifisert enzym binder seg bedre til polymeren
Når den tredimensjonale strukturen var oppnådd, begynte forskerne å sammenligne PETase med relaterte proteiner. Den mest liknende er en kutinase av bakterien Thermobifida fusca, som nedbryter cutin, en slags naturlig lakk som dekker plantens blader. Enkelte patogene mikroorganismer bruker cutinaser for å bryte cutinbarrieren og tilpasse næringsstoffene som er tilstede i bladene.
Bilde: PETase-struktur, i blått, med en PET-kjede (i gult) koblet til det aktive stedet der det vil bli nedbrutt. Pressemelding / Rodrigo Leandro Silveira.
“Vi fant ut at det såkalte" aktive stedet ", PETase, i området av enzymet der kjemiske reaksjoner forekommer, viste noen forskjeller i forhold til kutinase. Den har et mer åpent aktivt nettsted. Gjennom datasimuleringer - og dette var den delen jeg bidro mest med - kunne vi studere enzymets molekylære bevegelser. Mens den krystallografiske strukturen, oppnådd ved røntgendiffraksjon, gir statisk informasjon, gjør simuleringene det mulig å ha dynamisk informasjon, og å oppdage den spesifikke rollen til hver aminosyre i nedbrytingsprosessen til PET ”, forklarte forskeren fra IQ-Unicamp.
Fysikken til molekylets bevegelser skyldes de elektrostatiske attraksjonene og frastøtene til det enorme settet med atomer og temperaturen. Datasimuleringer tillot oss å bedre forstå hvordan PETase binder og samhandler med PET.
“Vi fant ut at PETase og cutinase har to forskjellige aminosyrer på det aktive stedet. Gjennom molekylærbiologiske prosedyrer produserte vi deretter mutasjoner i PETase, med det formål å transformere det til kutinase ”, sa Silveira.
“Hvis vi var i stand til å gjøre det, ville vi vise hvorfor PETase er PETase, det vil si vi ville vite hva som er komponentene som gir den den særegne egenskapen til å nedbryte PET. Men, til vår overraskelse, når vi prøver å undertrykke PETases spesielle aktivitet, det vil si når vi prøver å transformere PETase til cutinase, produserer vi en enda mer aktiv PETase. Vi søkte å redusere aktiviteten, og i stedet økte vi den, sa han.
Dette krevde ytterligere beregningsstudier for å forstå hvorfor den mutante PETase var bedre enn den opprinnelige PETase. Med modellering og simuleringer var det mulig å merke at endringene produsert i PETase favoriserer koblingen av enzymet med substratet.
Det modifiserte enzymet binder seg bedre til polymeren. Denne koblingen avhenger av geometriske faktorer, det vil si typen "nøkkel og lås" passer mellom de to molekylene. Men også av termodynamiske faktorer, det vil si av samspillet mellom de forskjellige komponentene i enzymet og polymeren. Den elegante måten å beskrive dette på er å si at den modifiserte PETase har "større affinitet" for substratet.
Når det gjelder en fremtidig praktisk anvendelse, å skaffe en ingrediens som er i stand til å nedbryte tonn plastavfall, var studien en stor suksess. Men spørsmålet om hva som gjør PETase til en PETase, forblir ubesvart.
“Cutinase har aminosyrer a og b. PETase har aminosyrene x og y. Vi forestiller oss at ved å bytte x og y mot a og b, ville vi være i stand til å transformere PETase til en cutinase. I stedet produserer vi en forbedret PETase. De andre aminosyrene er med andre ord ikke forklaringen på differensialatferden til de to enzymene. Det er noe annet, ”sa Silveira.
Pågående utvikling
Cutinase er et eldgamle enzym, mens PETase er et moderne enzym som er et resultat av evolusjonstrykket som gjorde det mulig for Ideonella sakaiensis å tilpasse seg et medium som bare eller hovedsakelig inneholder polyetylentereftalat som kilde til karbon og energi.
Blant de mange bakteriene som ikke kan bruke denne polymeren, har noen mutasjoner generert en art som har klart å gjøre det. Denne bakterien begynte å reprodusere og vokse mye mer enn de andre fordi den hadde nok mat. Med det utviklet det seg. I det minste er dette forklaringen fra standard evolusjonsteori.
Det faktum at vi fikk et bedre enzym ved å gjøre en liten endring, antyder sterkt at denne utviklingen ennå ikke er fullført. Det er fortsatt nye evolusjonære muligheter å forstå og utforske for å oppnå enda mer effektive enzymer. Forbedret PETase er ikke slutten på veien. Det er bare begynnelsen, ”sa Silveira.
Med tanke på applikasjon er neste trinn å gå fra laboratorium til industriell skala. For dette vil det være nødvendig med videre studier relatert til reaktorteknikk, prosessoptimalisering og kostnadsreduksjon.
