پلاستیک ها و مشکلات زیست محیطی متعددی که ایجاد کرده اند، همواره ذهن محققان و دوست داران محیط زیست را به خود مشغول نموده است. در این میان آنزیم های پلاستیک خوار روزنه امیدی برای رهایی از این معضل است.
پیشرفتی که بر اساس حشرات پلاستیک خوار برای اولین بار توسط ژاپن در سال ۲۰۱۶ کشف شد، نوید بخش بازیافت کامل پلاستیک است. یک ابر آنزیم توسط دانشمندان ساخته شده است که شش برابر سریعتر از قبل بطریهای پلاستیکی را تجزیه میکند و میتواند ظرف یک یا دو سال برای بازیافت استفاده شود.
این سوپر آنزیم مشتق شده از باکتریهایی که به طور طبیعی توانایی خوردن پلاستیک را تکامل دادهاند، امکان بازیافت کامل بطریها را فراهم میکند. دانشمندان بر این باورند که ترکیب آن با آنزیمهایی که پنبه را تجزیه میکنند، میتواند این امکان را فراهم کند که بازیافت لباسهای پارچهای مخلوط انجام شود. امروزه میلیونها تن از این لباسها یا در محل دفن زباله ریخته میشود یا سوزانده میشود.
آلودگی پلاستیک کل سیاره از قطب شمال گرفته تا عمیقترین اقیانوسها را آلوده کرده است و مردم اکنون به مصرف و تنفس ذرات میکروپلاستیک معروف هستند. در حال حاضر تجزیه بطریهای پلاستیکی به اجزای شیمیایی آنها برای ساختن بطریهای جدید از قدیمی بسیار دشوار است، به این معنی که هر سال پلاستیک جدید بیشتری از نفت ساخته میشود.
آنزیم پلاستیک خوار و ارتباط آن با حشرات پلاستیک خوار

این ابر آنزیم با اتصال دو آنزیم جداگانه مهندسی شد که هر دو در حشره پلاستیک خوار کشف شده در یک سایت زباله ژاپنی در سال ۲۰۱۶ یافت شدند. محققان نسخه مهندسی شده اولین آنزیم را در سال ۲۰۱۸ نشان دادند که شروع به تجزیه آنزیم کرد. پلاستیک در چند روز و شش برابر سریعتر کار میکند.
پروفسور جان مک گیهان، از دانشگاه پورتسموث، بریتانیا، میگوید: «زمانی که ما آنزیمها را به طور غیرمنتظره به هم مرتبط کردیم، افزایش چشمگیری در فعالیت داشتیم. این مسیری است به سوی تلاش برای ساخت آنزیمهای سریعتر که از نظر صنعتی مرتبطتر هستند. اما این یکی از آن داستانهایی است که در مورد یادگیری از طبیعت و سپس آوردن آن به آزمایشگاه است.»
ابر آنزیم تجزیه ی پلاستیک
شرکت فرانسوی Carbios در ماه آوریل آنزیم متفاوتی را کشف کرد که در ابتدا در انبوهی از برگهای کمپوست کشف شده بود که ۹۰ درصد بطریهای پلاستیکی را در عرض ۱۰ ساعت تجزیه میکند، اما به حرارت بالای ۷۰ درجه سانتیگراد نیاز دارد.
این ابر آنزیم جدید در دمای اتاق کار میکند و مک گیهان گفت که ترکیب رویکردهای مختلف میتواند پیشرفت در استفاده تجاری را تسریع کند: «اگر بتوانیم آنزیمهای بهتر و سریعتری را با پیوند دادن آنها به یکدیگر و ارائه آنها به شرکتهایی مانند Carbios و همکاری با یکدیگر بسازیم، میتواند این کار را ظرف یکی دو سال آینده شروع کند.»
امروزه شرکت های تولیدکننده ظروف و قطعات پلاستیکی برآنند تا از مواد قابل بازیافت استفاده کنند، اما قطعا این ماده جدید تحولی در صنعت پلاستیک خواهد بود.
کار سال ۲۰۱۸ مشخص کرد که ساختار یک آنزیم به نام PETase میتواند به سطح سخت و کریستالی بطریهای پلاستیکی حمله کند. آنها به طور تصادفی دریافتند که یک نسخه جهش یافته ۲۰٪ سریعتر کار میکند. مطالعه جدید آنزیم دومی را که در باکتریهای ژاپنی نیز یافت شد، تجزیه و تحلیل کرد که سرعت تجزیه گروههای شیمیایی آزاد شده توسط آنزیم اول را دو برابر میکند.
باکتریهایی که پلیمرهای طبیعی مانند سلولز را تجزیه میکنند، این رویکرد دوقلو را طی میلیونها سال تکامل داده اند. دانشمندان فکر کردند که با اتصال این دو آنزیم به یکدیگر، ممکن است سرعت تخریب افزایش یابد و آنها را قادر به کار نزدیکتر با یکدیگر کند.

ایجاد این ابر آنزیم مرتبط برای یک باکتری غیرممکن است، زیرا مولکول بسیار بزرگ است. بنابراین دانشمندان این دو آنزیم را در آزمایشگاه به هم متصل کردند و شاهد سه برابر شدن بیشتر سرعت بودند. تحقیقات جدید دانشمندان دانشگاه پورتسموث و چهار موسسه آمریکایی در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.
این تیم اکنون در حال بررسی است که چگونه آنزیمها را میتوان بهینه کرد تا آنها را حتی سریعتر کار کند. مک گیهان گفت: «پتانسیل عظیمی وجود دارد. ما چند صد در آزمایشگاه داریم که در حال حاضر به هم چسبیدهایم.» یک مرکز آزمایش یک میلیون پوندی اکنون در پورتسموث در حال ساخت است و کاربیوس در حال حاضر در حال ساخت کارخانهای در لیون است.
مک گیهان گفت که ترکیب آنزیمهای پلاستیک خوار با آنزیمهای موجود که الیاف طبیعی را تجزیه میکنند میتواند به مواد مخلوط شده اجازه بازیافت کامل بدهد. بازیافت پارچههای مخلوط (پلی استر و پنبه) واقعا مشکل است. ما با برخی از شرکتهای بزرگ مد صحبت کردهایم که این منسوجات را تولید میکنند، زیرا آنها در حال حاضر واقعا با مشکل مواجه هستند.

کمپینها میگویند کاهش استفاده از پلاستیک مانند درب پلاستیکی کلیدی است. کسانی که روی بازیافت کار میکنند میگویند که مواد قوی و سبک وزن مانند بطری پلاستیکی بسیار مفید هستند و بازیافت واقعی بخشی از راه حل مشکل آلودگی است.
همچنین محققان در یافتن حشراتی موفق بودهاند که پلاستیکهای دیگری مانند پلی اورتان را میخورند که به طور گسترده استفاده میشود اما به ندرت بازیافت میشود. هنگامی که پلی یورتان تجزیه میشود میتواند مواد شیمیایی سمی آزاد کند که میتواند بیشتر باکتریها را از بین ببرد، اما اشکال شناسایی شده در واقع از این ماده به عنوان غذا برای تقویت فرآیند استفاده میکند.
آنزیم پلاستیک خوار می تواند میلیاردها تن زباله دفن زباله را از بین ببرد
هال آلپر، پروفسور دپارتمان مهندسی شیمی مککتا در UT آستین، گفت: «امکانات برای استفاده از این فرآیند بازیافت پیشرو در صنایع بیپایان است. فراتر از صنعت مدیریت زباله آشکار، این روش همچنین به شرکتهای هر بخش این فرصت را میدهد تا در بازیافت محصولات خود پیشگام شوند. از طریق این رویکردهای آنزیمی پایدارتر، میتوانیم یک اقتصاد دایرهای پلاستیکی واقعی را تصور کنیم.»
این پروژه بر روی پلی اتیلن ترفتالات (PET)، پلیمر قابل توجهی تمرکز دارد که در اکثر بستهبندیها، از جمله ظروف شیرینی، بطریهای نوشابه، بستهبندی میوه و سالاد و الیاف و منسوجات خاص یافت میشود. ۱۲ درصد از کل زبالههای جهان را تشکیل میدهد.
این آنزیم توانست یک «فرآیند دایرهای» را تکمیل کند که پلاستیک را به قطعات کوچکتر تجزیه میکند (دپلیمریزاسیون) و سپس بهصورت شیمیایی دوباره آن را در کنار هم قرار میدهد (پلیمریزاسیون مجدد). در برخی موارد، این پلاستیکها را میتوان در کمتر از ۲۴ ساعت به طور کامل به مونومر تجزیه کرد.
محققان دانشکده مهندسی کوکرل و کالج علوم طبیعی از یک مدل یادگیری ماشینی برای ایجاد جهشهای جدید به آنزیمی طبیعی به نام PETase استفاده کردند که به باکتریها اجازه میدهد پلاستیکهای PET را تجزیه کنند. این مدل پیشبینی میکند که کدام جهشها در این آنزیمها میتواند هدف از پلیمریزاسیون سریع پلاستیک زباله پس از مصرف در دماهای پایین را محقق کند.

از طریق این فرآیند، که شامل مطالعه ۵۱ ظروف پلاستیکی مختلف از جمله گالن های پلاستیکی پس از مصرف، پنج الیاف پلی استر مختلف و پارچه و بطریهای آب ساخته شده از PET بود، محققان اثربخشی آنزیمی را ثابت کردند.
اندرو الینگتون، استاد مرکز سیستمها و زیستشناسی مصنوعی که تیمش هدایت توسعه مدل یادگیری ماشین را بر عهده داشت، گفت: «این کار واقعا قدرت گرد همآوری رشتههای مختلف، از زیستشناسی مصنوعی گرفته تا مهندسی شیمی تا هوش مصنوعی را نشان میدهد.»
بازیافت بدیهیترین راه برای کاهش زبالههای پلاستیکی است. اما در سطح جهان، کمتر از ۱۰ درصد از کل پلاستیک بازیافت شده است. متداولترین روش برای دفع پلاستیک، علاوه بر انداختن آن در محل دفن زباله، سوزاندن آن است که پرهزینه، انرژی بر است و گازهای مضر را به هوا پرتاب میکند. سایر فرآیندهای صنعتی جایگزین شامل فرآیندهای بسیار انرژی بر گلیکولیز، پیرولیز یا متانولیز است.
محلولهای بیولوژیکی انرژی بسیار کمتری مصرف میکنند. تحقیقات در مورد آنزیمهای بازیافت پلاستیک در ۱۵ سال گذشته پیشرفت کرده است. با این حال تا به امروز، هیچ کس نتوانسته بود بفهمد که چگونه آنزیمهایی بسازد که بتوانند در دماهای پایین به طور موثر عمل کنند تا هم قابل حمل و هم مقرون به صرفه در مقیاس صنعتی بزرگ باشند. FAST-PETase میتواند این فرآیند را در دمای کمتر از ۵۰ درجه سانتیگراد انجام دهد.
در مرحله بعد، این تیم قصد دارد بر روی افزایش تولید آنزیم کار کند تا برای کاربردهای صنعتی و محیطی آماده شود. محققان یک درخواست ثبت اختراع برای این فناوری ثبت کردهاند و به چندین کاربرد مختلف چشم دوختهاند. پاکسازی محلهای دفن زباله و سبز کردن صنایعی که زباله تولید میکنند از همه بارزتر است. اما یکی دیگر از کاربردهای بالقوه، اصلاح محیطی است. این تیم در حال بررسی چندین راه برای بیرون آوردن آنزیمها به میدان برای پاکسازی مکانهای آلوده است.
هنگامی که برنامههای پاکسازی محیط را در نظر میگیرید، به آنزیمی نیاز دارید که بتواند در دمای محیط در محیط کار کند. آلپر گفت: «این نیاز جایی است که فناوری ما در آینده مزیت بزرگی خواهد داشت.»