lovesouthernsocial.com

İki Brezilyalıyı içeren uluslararası bir bilim insanı grubunun keşfi, malzemenin neden olduğu kirliliği en aza indirmeye yardımcı olabilir.

Campinas Üniversitesi'nden (Unicamp) iki Brezilyalı'nın katıldığı uluslararası bir bilim insanı grubu, polietilen tereftalat, PET plastik ile beslenebilen bir enzim olan PETase'nin performansını iyileştirmeyi başardı. 2016 yılında yeni bir bakteri türünde PETaz keşfedildikten sonra, araştırmacılar grubu enzimin yapısını elde etmek ve nasıl çalıştığını anlamak için çalıştı. Bu süreçte, tesadüfen, PET için daha büyük bir afiniteye sahip olan enzimin bir mutasyonunu yarattılar - yani, plastiği bozmak için daha büyük bir potansiyel.

Her yıl 4,8 ila 12,7 milyon ton plastiğin okyanuslara salındığı tahmin edildiğinden, çalışmanın pratik kullanım için muazzam bir potansiyeli var - bu sayının artması muhtemel. Gezegendeki en uzak kumsallarda bile biriken plastikler, çevreyi en çok tehdit eden bozulmaya karşı dirençleri nedeniyle tam olarak bu şekilde kullanılıyor. Örneğin bir PET şişe atıldığında, büyüyen ve endişe verici mikroplastik sorununa ek olarak 800 yıl boyunca çevrede kalabilir.

• Plastik atıkların gıda zinciri üzerindeki çevresel etkisini anlayın
• Okyanusları kirleten plastiğin kaynağı nedir?

Bütün bunlarla, polietilen tereftalat sindirebilen bir enzimin keşfinin uyandırdığı büyük ilgiyi anlamak kolaydır. PETase adı verilen bu enzim artık plastiği parçalama yeteneğini artırdı. Yenilik, yayınlanan bir makalede açıklanmıştır. Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri (PNAS).

Campinas Eyalet Üniversitesi'ndeki (IQ-Unicamp) Kimya Enstitüsü'nden iki araştırmacı, Birleşik Krallık (Portsmouth Üniversitesi) ve Amerika Birleşik Devletleri'nden (Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı) araştırmacılarla işbirliği içinde araştırmaya katıldı. Onlar doktora sonrası öğrenci Rodrigo Leandro Silveira ve danışmanı, Unicamp Munir Salomão Skaf'ta baş profesör ve Araştırma Dekanı.

“Genellikle içecek şişelerinin imalatında kullanılan polietilen tereftalat, giysi, kilim ve diğer nesnelerin imalatında da yaygın olarak kullanılmaktadır. Araştırmamızda, bu plastiği sindirebilen enzimin üç boyutlu yapısını tanımladık, mühendisliğini yaptık, bozunma gücünü arttırdık ve aynı zamanda polietilen-2,5-furandikarboksilatta (PEF) aktif olduğunu gösterdik. Silveira, Agência FAPESP'e verdiği demeçte, yenilenebilir hammaddelerden üretilen PET'in yerini alıyor.

PETase'e ilgi, 2016 yılında Shosuke Yoshida liderliğindeki bir grup Japon araştırmacının yeni bir bakteri türü tanımlamasıyla ortaya çıktı. Ideonella sakaiensis, karbon ve enerji kaynağı olarak polietilen tereftalat kullanabilen – diğer bir deyişle PET ile beslenebilen . Bugüne kadar bu yeteneğe sahip bilinen tek organizmadır. Kelimenin tam anlamıyla PET üzerinde büyür.

"Tanımlamanın yanı sıra Ideonella sakaiensisJaponlar, çevreye salgılanan iki enzim ürettiğini keşfettiler. Salgılanan enzimlerden biri tam olarak PETase idi. Belirli bir kristallik derecesine sahip olduğu için PET, bozunması çok zor olan bir polimerdir. Sıkıca paketlenmiş belirli polimerlerin bozulmaya direnmesi gereken özelliği adlandırmak için teknik olarak 'kalıcılık' terimini kullanıyoruz. PET bunlardan biridir. Ancak PETase ona saldırır ve onu küçük birimlere ayırır – mono(2-hidroksietil) tereftalik asit (MHET). MHET birimleri daha sonra [ikinci bir enzim tarafından] tereftalik aside dönüştürülür ve bakteriler tarafından emilir ve metabolize edilir, "dedi Silveira.

Bilinen tüm canlılar hayatta kalmak için biyomolekülleri kullanır. İnsanlar tarafından üretilen sentetik bir molekül kullanmayı başaran Ideonella sakaiensis hariç hepsi. Bu, bu bakterinin son birkaç on yılda meydana gelen çok yeni bir evrim sürecinin sonucu olduğu anlamına gelir. 1940'ların başında geliştirilen ve ancak 1970'lerde endüstriyel ölçekte kullanılmaya başlanan bir polimere adapte olmayı başardı.Bunun için PETase anahtar parçadır.

"PETaz, kristal yapıyı kıran ve PET'i MHET'e depolimerize eden en zor kısmı yapıyor. MHET'i tereftalik aside dönüştüren ikinci enzimin çalışması, substratı, reaksiyon ortamında dağıldıkları için enzimin kolayca erişebildiği monomerler tarafından oluşturulduğundan, zaten çok daha basittir. Bu nedenle çalışmalar PETaz üzerine odaklandı” diye açıklıyor Silveira.

Bir sonraki adım, PETaz'ı ayrıntılı olarak incelemekti ve bu, yeni araştırmanın katkısıydı. "Odak noktamız, PETase'ye diğer enzimlerin çok verimli bir şekilde yapamadığı bir şeyi yapma yeteneği veren şeyi bulmaktı. Bunun için ilk adım bu proteinin üç boyutlu yapısını elde etmek oldu” dedi.

"Üç boyutlu yapıyı elde etmek demek, makromolekülü oluşturan binlerce atomun her birinin x, y ve z koordinatlarını bulmak demektir. İngiliz meslektaşlarımız bu işi, X-ışını kırınımı adı verilen iyi bilinen ve yaygın olarak kullanılan bir teknik kullanarak yaptılar" diye açıkladı.

Modifiye enzim polimere daha iyi bağlanır

Üç boyutlu yapı elde edildikten sonra, araştırmacılar PETaz'ı ilgili proteinlerle karşılaştırmaya başladılar. En yakın şey, bitki yapraklarını kaplayan bir tür doğal vernik olan kütin'i bozan Thermobifida fusca bakterisinden elde edilen bir kütinazdır. Bazı patojenik mikroorganizmalar, kütin bariyerini kırmak ve yapraklarda bulunan besin maddelerini uygun hale getirmek için kütinazları kullanır.

Resim: PETaz yapısı, mavi, aktif bölgesine bağlı bir PET zinciri (sarı) ile bozulacak. Basın Bülteni/Rodrigo Leandro Silveira.

“Kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği enzim bölgesinde, sözde 'aktif bölge'de, PETaz'ın kütinaza göre bazı farklılıkları olduğunu bulduk. Daha açık aktif bir siteye sahiptir. Bilgisayar simülasyonları aracılığıyla - ve bu benim en çok katkıda bulunduğum kısımdı - enzimin moleküler hareketlerini inceleyebildik. IQ-Unicamp'tan araştırmacı, X-ışını kırınımı ile elde edilen kristalografik yapı statik bilgi sağlarken, simülasyonlar dinamik bilgiye sahip olmayı ve her amino asidin PET bozunma sürecindeki özel rolünü keşfetmeyi mümkün kılıyor” dedi.

Molekül hareketinin fiziği, çok sayıda atom ve sıcaklığın elektrostatik çekimlerinden ve itmelerinden kaynaklanır. Bilgisayar simülasyonları, PETase'in PET ile nasıl bağlandığını ve etkileşime girdiğini daha iyi anlamamızı sağladı.

"PETaz ve kütinazın aktif bölgede iki farklı amino aside sahip olduğunu bulduk. Moleküler biyoloji prosedürlerini kullanarak, daha sonra onu kütinaza dönüştürmek amacıyla PETaz'da mutasyonlar üretiyoruz”, dedi Silveira.

"Bunu yapabilseydik, PETase'nin neden PETase olduğunu gösterirdik, yani hangi bileşenlerin ona böylesine özel bir PET parçalayıcı özelliği verdiğini bilirdik. Ancak PETaz'ın kendine özgü aktivitesini bastırmaya çalışarak, yani PETaz'ı kütinaza dönüştürmeye çalışarak, daha da aktif bir PETaz üretiyoruz. Aktiviteyi azaltmak istiyorduk ve bunun yerine artırdık” dedi.

Bu, mutant PETaz'ın neden orijinal PETaz'dan daha iyi olduğunu anlamak için daha fazla hesaplamalı çalışma gerektiriyordu. Modelleme ve simülasyonlarla, PETase'de üretilen değişikliklerin enzimin substrat ile birleşmesini desteklediğini görmek mümkün oldu.

Modifiye edilmiş enzim polimere daha iyi bağlanır. Bu eşleşme geometrik faktörlere, yani iki molekül arasındaki “anahtar ve kilit” tipine bağlıdır. Ama aynı zamanda termodinamik faktörler, yani enzimin çeşitli bileşenleri ile polimer arasındaki etkileşimler. Bunu tanımlamanın zarif yolu, modifiye edilmiş PETaz'ın alt tabaka için "daha büyük afiniteye" sahip olduğunu söylemektir.

Tonlarca plastik atığı parçalayabilen bir bileşen elde etmek için gelecekteki pratik bir uygulama açısından, çalışma büyük bir başarıydı. Ancak PETase'i PETase yapan şeyin ne olduğu sorusu cevapsız kalıyor.

Kütinaz, a ve b amino asitlerine sahiptir. PETaz, x ve y amino asitlerine sahiptir. x ve y'yi a ve b ile değiştirerek PETaz'ı kütinaza dönüştürebileceğimizi hayal ediyoruz. Bunun yerine, geliştirilmiş bir PETaz üretiyoruz. Başka bir deyişle, iki amino asit, iki enzimin diferansiyel davranışının açıklaması değildir. Bu başka bir şey," dedi Silveira.

devam eden evrim

Kütinaz eski bir enzimdir, PETaz ise modern bir enzimdir. Ideonella sakaiensis karbon ve enerji kaynağı olarak yalnızca veya esas olarak polietilen tereftalat içeren bir ortama uyum sağlar.

Bu polimeri kullanamayan birçok bakteri arasında, bazı mutasyonlar bunu başaran bir tür üretti. Bu bakteri, yeterli yiyeceğe sahip olduğu için diğerlerinden çok daha fazla çoğalmaya ve büyümeye başladı. Bununla kendini geliştirdi. En azından standart evrim teorisinin yaptığı açıklama budur.

"Küçük bir değişiklik yaparak daha iyi bir enzime sahip olmamız, bu evrimin henüz tamamlanmadığını kuvvetle göstermektedir. Daha da etkili enzimler elde etmek amacıyla, anlaşılması ve keşfedilmesi gereken yeni evrimsel olasılıklar hala vardır. Geliştirilmiş PETase yolun sonu değil. Bu sadece başlangıç,” dedi Silveira.

Uygulama açısından bir sonraki adım, laboratuvar ölçeğinden endüstriyel ölçeğe geçmektir. Bunun için reaktör mühendisliği, proses optimizasyonu ve maliyet düşürme ile ilgili diğer çalışmalara ihtiyaç duyulacaktır.