นักวิจัยสร้างเอนไซม์กลายพันธุ์ที่ย่อยสลายพลาสติก
การค้นพบกลุ่มนักวิทยาศาสตร์นานาชาติ ซึ่งรวมถึงชาวบราซิลสองคน อาจช่วยลดมลพิษที่เกิดจากวัสดุได้
กลุ่มนักวิทยาศาสตร์นานาชาติ ซึ่งมีชาวบราซิลสองคนจากมหาวิทยาลัย Campinas (Unicamp) เข้าร่วม ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของ PETase ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่สามารถป้อนพลาสติก PET โพลีเอทิลีนเทเรพทาเลตได้ หลังจากค้นพบ PETase ในแบคทีเรียสายพันธุ์ใหม่ในปี 2559 กลุ่มนักวิจัยได้ทำงานเพื่อให้ได้โครงสร้างของเอนไซม์และทำความเข้าใจวิธีการทำงาน ในกระบวนการนี้ โดยบังเอิญ พวกมันสร้างการกลายพันธุ์ของเอ็นไซม์ที่มีความสัมพันธ์กับ PET มากขึ้น นั่นคือมีศักยภาพในการย่อยสลายพลาสติกได้มากกว่า
งานนี้มีศักยภาพมหาศาลสำหรับการใช้งานจริง เนื่องจากมีการประมาณการว่ามีการปล่อยพลาสติกระหว่าง 4.8 ถึง 12.7 ล้านตันลงสู่มหาสมุทรทุกปี ซึ่งเป็นตัวเลขที่มีแนวโน้มว่าจะเติบโตขึ้นเท่านั้น พลาสติกซึ่งสะสมอยู่แม้กระทั่งบนชายหาดที่ห่างไกลที่สุดในโลก ถูกนำมาใช้อย่างแม่นยำเพราะทนทานต่อการเสื่อมสภาพ ซึ่งเป็นสิ่งที่คุกคามสิ่งแวดล้อมมากที่สุด เมื่อทิ้ง ขวด PET สามารถคงอยู่ในสิ่งแวดล้อมได้นานถึง 800 ปี นอกเหนือไปจากปัญหาที่เพิ่มขึ้นและน่าตกใจของไมโครพลาสติก
- ทำความเข้าใจผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของขยะพลาสติกในห่วงโซ่อาหาร
- ต้นกำเนิดของพลาสติกที่ก่อให้เกิดมลพิษในมหาสมุทรคืออะไร?
ทั้งหมดนี้ จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะเข้าใจถึงความสนใจอันยิ่งใหญ่ที่กระตุ้นโดยการค้นพบเอนไซม์ที่สามารถย่อยพอลิเอทิลีนเทเรพทาเลตได้ เอนไซม์นี้เรียกว่าเพเทส ได้เพิ่มความสามารถในการย่อยสลายพลาสติกแล้ว ความแปลกใหม่ได้อธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ใน การดำเนินการของ National Academy of Sciences แห่งสหรัฐอเมริกา (พนส.).
นักวิจัยสองคนจาก Institute of Chemistry at the State University of Campinas (IQ-Unicamp) เข้าร่วมในการวิจัย โดยร่วมมือกับนักวิจัยจากสหราชอาณาจักร (University of Portsmouth) และสหรัฐอเมริกา (National Renewable Energy Laboratory) พวกเขาคือนักศึกษาปริญญาเอก Rodrigo Leandro Silveira และหัวหน้างานของเขา หัวหน้าศาสตราจารย์และคณบดีฝ่ายวิจัยที่ Unicamp Munir Salomão Skaf
“ส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตขวดเครื่องดื่ม นอกจากนี้ โพลิเอทิลีนเทเรพทาเลตยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเสื้อผ้า พรม และวัตถุอื่นๆ ในการวิจัยของเรา เราระบุโครงสร้างสามมิติของเอนไซม์ที่สามารถย่อยพลาสติกนี้ได้ เราออกแบบวิศวกรรม เพิ่มพลังการย่อยสลาย และเราได้แสดงให้เห็นว่ามันยังทำงานอยู่ใน polyethylene-2,5-furanedicarboxylate (PEF) a ทดแทน PET ที่ผลิตจากวัตถุดิบหมุนเวียน” Silveira กล่าวกับAgência FAPESP
ความสนใจใน PETase เกิดขึ้นในปี 2016 เมื่อกลุ่มนักวิจัยชาวญี่ปุ่น นำโดย Shosuke Yoshida ระบุแบคทีเรียสายพันธุ์ใหม่ ไอดีโอเนลล่า ซาไกเอนซิสสามารถใช้โพลีเอทิลีนเทเรพทาเลตเป็นแหล่งคาร์บอนและพลังงาน กล่าวคือ สามารถเลี้ยงด้วย PET ได้ จนถึงปัจจุบันเป็นสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวที่มีความสามารถนี้ มันเติบโตบน PET อย่างแท้จริง
“นอกจากการระบุตัว ไอดีโอเนลล่า ซาไกเอนซิสชาวญี่ปุ่นค้นพบว่ามันผลิตเอนไซม์สองตัวที่หลั่งออกสู่สิ่งแวดล้อม หนึ่งในเอนไซม์ที่หลั่งออกมาคือเพเทสอย่างแม่นยำ เนื่องจากมีความเป็นผลึกในระดับหนึ่ง PET จึงเป็นพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ยากมาก ในทางเทคนิคแล้ว เราใช้คำว่า 'recalcitrance' เพื่อตั้งชื่อคุณสมบัติที่โพลีเมอร์ที่อัดแน่นบางชนิดต้องต้านทานการเสื่อมสภาพ PET เป็นหนึ่งในนั้น แต่ PETase โจมตีและแบ่งออกเป็นหน่วยเล็กๆ – กรดเทเรฟทาลิกโมโน (2-ไฮดรอกซีเอทิล) (MHET) จากนั้นหน่วย MHET จะถูกแปลงเป็นกรดเทเรฟทาลิก [โดยเอนไซม์ตัวที่สอง] และดูดซึมและเผาผลาญโดยแบคทีเรีย” ซิลเวรากล่าว
สิ่งมีชีวิตที่รู้จักทั้งหมดใช้ชีวโมเลกุลเพื่อความอยู่รอด ทั้งหมดยกเว้น Ideonella sakaiensis ซึ่งใช้โมเลกุลสังเคราะห์ที่ผลิตโดยมนุษย์ ซึ่งหมายความว่าแบคทีเรียนี้เป็นผลมาจากกระบวนการวิวัฒนาการล่าสุดที่เกิดขึ้นในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา มันสามารถปรับตัวให้เข้ากับพอลิเมอร์ที่พัฒนาขึ้นในต้นปี 1940 และเริ่มใช้งานในระดับอุตสาหกรรมในปี 1970 เท่านั้น สำหรับสิ่งนั้น PETase เป็นส่วนสำคัญ
“PETase ทำหน้าที่ในส่วนที่ยากที่สุด ซึ่งทำลายโครงสร้างผลึกและสลาย PET ให้เป็น MHET การทำงานของเอนไซม์ตัวที่สอง ซึ่งเปลี่ยน MHET เป็นกรดเทเรฟทาลิกนั้นง่ายกว่ามาก เนื่องจากซับสเตรตของมันถูกสร้างโดยโมโนเมอร์ที่เอ็นไซม์เข้าถึงได้ง่ายเพราะจะกระจายตัวในตัวกลางที่ทำปฏิกิริยา ดังนั้นการศึกษาจึงมุ่งเน้นไปที่ PETase” Silveira อธิบาย
ขั้นตอนต่อไปคือการศึกษา PETase อย่างละเอียดและนี่คือผลงานวิจัยใหม่ “สิ่งที่เรามุ่งเน้นคือการค้นหาว่าอะไรทำให้เพเทสมีความสามารถในการทำบางสิ่งที่เอ็นไซม์อื่นไม่สามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก ขั้นตอนแรกคือการได้โครงสร้างสามมิติของโปรตีนนี้” เขากล่าว
“การได้มาซึ่งโครงสร้างสามมิติหมายถึงการค้นหาพิกัด x, y และ z ของอะตอมนับพันแต่ละอะตอมที่ประกอบกันเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ เพื่อนร่วมงานชาวอังกฤษของเราทำงานนี้โดยใช้เทคนิคที่เป็นที่รู้จักและใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งเรียกว่าการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์” เขาอธิบาย
เอ็นไซม์ดัดแปลงจับกับพอลิเมอร์ได้ดีกว่า
เมื่อได้โครงสร้างสามมิติแล้ว นักวิจัยก็เริ่มเปรียบเทียบ PETase กับโปรตีนที่เกี่ยวข้องกัน สิ่งที่ใกล้เคียงที่สุดคือ cutinase จากแบคทีเรีย Thermobifida fusca ซึ่งย่อยสลาย cutin ซึ่งเป็นสารเคลือบเงาธรรมชาติชนิดหนึ่งที่เคลือบใบพืช จุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรคบางชนิดใช้ cutinases เพื่อทำลายอุปสรรคของ cutin และเหมาะสมกับสารอาหารที่มีอยู่ในใบ
ภาพ: โครงสร้าง PETase สีฟ้า มีสาย PET (สีเหลือง) ติดอยู่ที่บริเวณที่ทำงาน ซึ่งจะสลายตัว Press Release/โรดริโก เลอันโดร ซิลเวรา
“เราพบว่าในพื้นที่ของเอนไซม์ที่เกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น ที่เรียกว่า 'ไซต์ที่ทำงาน' นั้น PETase มีความแตกต่างบางประการเกี่ยวกับคิวติเนส มีไซต์ที่ใช้งานที่เปิดกว้างมากขึ้น ผ่านการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ และนี่คือส่วนที่ฉันมีส่วนร่วมมากที่สุด เราสามารถศึกษาการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของเอนไซม์ได้ แม้ว่าโครงสร้างผลึกศาสตร์ที่ได้จากการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์จะให้ข้อมูลคงที่ การจำลองช่วยให้มีข้อมูลแบบไดนามิกและค้นพบบทบาทเฉพาะของกรดอะมิโนแต่ละชนิดในกระบวนการย่อยสลาย PET” นักวิจัยจาก IQ-Unicamp อธิบาย
ฟิสิกส์ของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลเป็นผลมาจากแรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิตและการผลักของอะตอมและอุณหภูมิจำนวนมาก การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ช่วยให้เราเข้าใจได้ดีขึ้นว่า PETase เชื่อมโยงและโต้ตอบกับ PET อย่างไร
"เราพบว่า PETase และ cutinase มีกรดอะมิโนสองชนิดที่แตกต่างกันในบริเวณที่ทำงาน โดยใช้ขั้นตอนทางอณูชีววิทยา จากนั้นเราจึงสร้างการกลายพันธุ์ใน PETase โดยมีเป้าหมายที่จะแปลงเป็น cutinase” Silveira กล่าว
“ถ้าเราสามารถทำเช่นนี้ได้ เราจะแสดงให้เห็นว่าเหตุใด PETase ถึงเป็น PETase นั่นคือ เราจะรู้ว่าส่วนประกอบใดให้คุณสมบัติพิเศษในการย่อยสลาย PET ดังกล่าว แต่ที่น่าประหลาดใจคือ เมื่อเราพยายามระงับกิจกรรมแปลก ๆ ของ PETase นั่นคือการพยายามเปลี่ยน PETase ให้เป็น cutinase เราจึงผลิต PETase ที่กระฉับกระเฉงยิ่งขึ้น เรากำลังมองหาที่จะลดกิจกรรม และเราเพิ่มมันแทน” เขากล่าว
สิ่งนี้จำเป็นต้องมีการศึกษาเชิงคำนวณเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมเพเตสกลายพันธุ์จึงดีกว่าเพเตสดั้งเดิม ด้วยการสร้างแบบจำลองและการจำลอง จะเห็นได้ว่าการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นใน PETase สนับสนุนการมีเพศสัมพันธ์ของเอนไซม์กับซับสเตรต
เอ็นไซม์ดัดแปลงจะเกาะกับพอลิเมอร์ได้ดีขึ้น การมีเพศสัมพันธ์นี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยทางเรขาคณิต นั่นคือประเภท "กุญแจและตัวล็อค" ที่พอดีระหว่างสองโมเลกุล แต่ยังรวมถึงปัจจัยทางอุณหพลศาสตร์ด้วย นั่นคือ ปฏิกิริยาระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ของเอนไซม์กับพอลิเมอร์ วิธีที่สวยงามในการอธิบายสิ่งนี้คือการบอกว่า PETase ดัดแปลงมี "ความสัมพันธ์ที่มากขึ้น" สำหรับพื้นผิว
ในแง่ของการใช้งานจริงในอนาคต เพื่อให้ได้ส่วนผสมที่สามารถย่อยสลายขยะพลาสติกได้มากมาย การศึกษาประสบความสำเร็จอย่างมาก แต่คำถามเกี่ยวกับสิ่งที่ทำให้ PETase เป็น PETase ยังคงไม่ได้รับคำตอบ
“Cutinase มีกรดอะมิโน a และ b PETase มีกรดอะมิโน x และ y เราจินตนาการว่าโดยการแลกเปลี่ยน x และ y เป็น a และ b เราจะสามารถเปลี่ยน PETase เป็น cutinase ได้ แต่เราผลิต PETase ที่ปรับปรุงใหม่แทน กล่าวอีกนัยหนึ่ง กรดอะมิโนทั้งสองไม่ใช่คำอธิบายสำหรับพฤติกรรมที่แตกต่างกันของเอนไซม์ทั้งสอง มันเป็นอีกเรื่องหนึ่ง” ซิลเวร่ากล่าว
วิวัฒนาการอย่างต่อเนื่อง
คิวติเนสเป็นเอ็นไซม์โบราณ ในขณะที่เพเทสเป็นเอ็นไซม์สมัยใหม่ อันเป็นผลมาจากแรงกดดันทางวิวัฒนาการที่ทำให้ ไอดีโอเนลล่า ซาไกเอนซิส ปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่มีเฉพาะหรือส่วนใหญ่เป็นพอลิเอทิลีนเทเรพทาเลตเป็นแหล่งของคาร์บอนและพลังงาน
ในบรรดาแบคทีเรียจำนวนมากที่ไม่สามารถใช้โพลีเมอร์นี้ได้ การกลายพันธุ์บางอย่างทำให้เกิดสายพันธุ์ที่สามารถทำเช่นนั้นได้ แบคทีเรียนี้เริ่มแพร่พันธุ์และเติบโตมากกว่าแบคทีเรียชนิดอื่นเพราะมีอาหารเพียงพอ ด้วยเหตุนี้เธอจึงพัฒนา อย่างน้อยนั่นคือคำอธิบายโดยทฤษฎีวิวัฒนาการมาตรฐาน
“ความจริงที่ว่าเรามีเอ็นไซม์ที่ดีกว่าโดยการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าวิวัฒนาการนี้ยังไม่สมบูรณ์ ยังมีความเป็นไปได้ทางวิวัฒนาการใหม่ๆ ที่จะเข้าใจและสำรวจ เพื่อให้ได้เอ็นไซม์ที่มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น PETase ที่ได้รับการปรับปรุงไม่ใช่จุดสิ้นสุดของถนน มันเพิ่งเริ่มต้น” ซิลเวร่ากล่าว
เพื่อนำไปใช้ ขั้นตอนต่อไปคือการย้ายจากห้องปฏิบัติการไปสู่ระดับอุตสาหกรรม สำหรับสิ่งนี้ จำเป็นต้องมีการศึกษาอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับวิศวกรรมเครื่องปฏิกรณ์ การปรับกระบวนการให้เหมาะสมที่สุด และการลดต้นทุน
