Τα πλαστικά αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της σύγχρονης ζωής. Όμως η παραγωγή τους βασίζεται σε παράγωγα του πετρελαίου και η αποδόμησή τους στο περιβάλλον είναι εξαιρετικά αργή. Αντί να εξαφανίζονται, διαλύονται σε μικροσκοπικά κομμάτια — τα γνωστά μικροπλαστικά — που παραμένουν στο οικοσύστημα για δεκαετίες.
Η βιολογία όμως φαίνεται πως μπορεί να προσφέρει λύσεις και από τις δύο πλευρές: όχι μόνο να διασπάσει τα πλαστικά μέσω ενζύμων, αλλά πλέον και να παράγει πλαστικά με φυσικό τρόπο. Σε μια σημαντική επιστημονική πρόοδο, ερευνητές από τη Νότια Κορέα ανακοίνωσαν ότι κατάφεραν να τροποποιήσουν ένα στέλεχος βακτηρίων ώστε να παράγει πολυμερή με πρώτη ύλη τη γλυκόζη.
Βιοπλαστικά από περίσσεια άνθρακα
Η μελέτη επικεντρώνεται στο σύστημα που χρησιμοποιούν τα βακτήρια για να αποθηκεύσουν ενέργεια μέσω παραγωγής PHA (polyhydroxyalkanoates) — φυσικά πολυμερή που δημιουργούνται όταν υπάρχει επάρκεια άνθρακα, αλλά έλλειψη άλλων θρεπτικών συστατικών. Σε τέτοιες συνθήκες, το βακτήριο συνθέτει μεγάλα μόρια από μικρότερες οργανικές ενώσεις για να αποθηκεύσει ενέργεια, την οποία αργότερα μπορεί να επαναχρησιμοποιήσει.
Το σημαντικό είναι ότι το ένζυμο PHA συνθετάση, που ευθύνεται για την πολυμερισμό, δεν είναι ιδιαίτερα εκλεκτικό: μπορεί να συνδέσει πάνω από 150 διαφορετικά μόρια, αρκεί να μπορούν να σχηματίσουν εστερικούς δεσμούς και να συνδεθούν με το συνένζυμο A (CoA), ένα κοινό ενδιάμεσο μόριο στη βιοχημεία των κυττάρων.
Κανονικά, οι PHA περιέχουν δεσμούς μέσω ατόμων οξυγόνου. Όμως οι ερευνητές θέλησαν να δοκιμάσουν εάν θα μπορούσαν να προκύψουν νέοι τύποι πολυμερών με δεσμούς μέσω αζώτου, όπως αυτοί που βρίσκονται στα αμινοξέα.
Ενζυμική μηχανική και γενετική τροποποίηση
Για να πετύχουν αυτό τον στόχο, χρησιμοποίησαν δύο ένζυμα:
- Ένα ένζυμο από το Clostridium, γνωστό για την “ευελιξία” του, που κατάφερε να συνδέσει διάφορα αμινοξέα με το CoA.
- Ένα ένζυμο από το Pseudomonas, το οποίο είχε υποστεί 4 μεταλλάξεις για να μπορεί να πολυμερίζει μεγαλύτερο φάσμα μορίων.
Το σύστημα λειτούργησε σε in vitro συνθήκες: τα αμινοξέα πολυμερίστηκαν με επιτυχία. Όμως η εισαγωγή των ενζύμων στα βακτήρια E. coli αποκάλυψε νέα πρόκληση: το ένα ένζυμο ήταν τοξικό, καθυστερώντας τον πολλαπλασιασμό τους. Οι επιστήμονες, ωστόσο, κατάφεραν να εξελίξουν ένα στέλεχος E. coli ανθεκτικό στο τοξικό ένζυμο. Το αποτέλεσμα; Μικρές ποσότητες πολυμερούς παράχθηκαν με επιτυχία.
Πώς βελτιώθηκε η απόδοση
Αν και η αρχική παραγωγή ήταν χαμηλή, οι ερευνητές εικάζουν ότι η ενδογενής παραγωγή αμινοξέων από τα ίδια τα κύτταρα θα βελτίωνε την απόδοση. Έτσι, ενίσχυσαν γενετικά τα E. coli ώστε να παράγουν λυσίνη, με αποτέλεσμα σημαντικά αυξημένη παραγωγή πολυμερούς, στο οποίο επικρατούσε η λυσίνη ως μονομερές.
Επιπλέον:
- Με γονιδιακή απενεργοποίηση του ενζύμου που παράγει γαλακτικό οξύ, μείωσαν την ποσότητα αυτού του μορίου στο πολυμερές.
- Δοκίμασαν και μείγματα από δύο διαφορετικά αμινοξέα, ενώ προσέθεσαν και μη-αμινοξικά μόρια.
- Προσθέτοντας μερικά ακόμα ένζυμα στο κύτταρο, η απόδοση έφτασε σε άνω του 50% του βάρους των κυττάρων.
- Με κατάλληλες μεταλλάξεις στο ένζυμο της πολυμερίσης, μπορούσαν να ελέγξουν ποιο αμινοξύ θα επικρατήσει στο τελικό προϊόν.
Πλεονεκτήματα και περιορισμοί
Το σύστημα είναι εξαιρετικά ευέλικτο, επιτρέποντας τη δημιουργία πολυμερών με διαφορετικές ιδιότητες. Τα παραγόμενα πλαστικά είναι βιοδιασπώμενα, αφού οι δεσμοί τους έχουν σχηματιστεί ενζυμικά.
Ωστόσο, υπάρχουν περιορισμοί:
- Δεν μπορεί να υπάρξει απόλυτος έλεγχος της σύνθεσης. Πάντα κάποια “παράπλευρα” μόρια του κυττάρου θα ενσωματώνονται.
- Η διαδικασία είναι αργή, σε σύγκριση με τη μαζική βιομηχανική παραγωγή πλαστικών.
- Η εκχύλιση και καθαρισμός των πολυμερών από τα κύτταρα είναι πολύπλοκη.
Παρά τους περιορισμούς, η έρευνα αποδεικνύει πως η βιολογική παραγωγή πλαστικών έχει τεράστιες δυνατότητες και μπορεί στο μέλλον να μειώσει την εξάρτησή μας από τα ορυκτά καύσιμα.
