lovesouthernsocial.com

Phát hiện của một nhóm các nhà khoa học quốc tế, bao gồm hai người Brazil, có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm do vật liệu này gây ra

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế, trong đó có hai người Brazil từ Đại học Campinas (Unicamp) tham gia, đã quản lý để cải thiện hiệu suất của PETase, một loại enzyme có khả năng ăn polyethylene terephthalate, nhựa PET. Sau khi PETase được phát hiện trong một loài vi khuẩn mới vào năm 2016, nhóm các nhà nghiên cứu đã làm việc để thu thập cấu trúc của enzyme và hiểu cách thức hoạt động của nó. Trong quá trình này, một cách tình cờ, họ đã tạo ra một đột biến của enzyme có ái lực thậm chí lớn hơn với PET - tức là có khả năng phân hủy nhựa lớn hơn.

Công trình này có tiềm năng sử dụng thực tế rất lớn, vì ước tính có khoảng từ 4,8 đến 12,7 triệu tấn nhựa được thải ra đại dương mỗi năm - một con số chỉ có khả năng tăng lên. Nhựa, tích tụ ngay cả trên những bãi biển xa xôi nhất trên hành tinh, được sử dụng chính xác vì khả năng chống suy thoái của chúng, vốn là thứ đe dọa môi trường nhiều nhất. Ví dụ, khi bị loại bỏ, một chai PET có thể tồn tại trong môi trường trong 800 năm - bên cạnh vấn đề vi nhựa đang ngày càng gia tăng và đáng báo động.

• Hiểu tác động môi trường của rác thải nhựa đối với chuỗi thực phẩm
• Nguồn gốc của nhựa gây ô nhiễm đại dương là gì?

Với tất cả những điều này, thật dễ hiểu khi phát hiện ra một loại enzyme có khả năng tiêu hóa polyethylene terephthalate, sự quan tâm rất lớn được khơi dậy. Enzyme này, được gọi là PETase, hiện đã tăng khả năng phân hủy nhựa. Tính mới đã được mô tả trong một bài báo đăng trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (PNAS).

Hai nhà nghiên cứu từ Viện Hóa học tại Đại học Bang Campinas (IQ-Unicamp) đã tham gia vào nghiên cứu với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu đến từ Vương quốc Anh (Đại học Portsmouth) và Hoa Kỳ (Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia). Họ là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Rodrigo Leandro Silveira và người giám sát của anh ấy, giáo sư trưởng và trưởng khoa Nghiên cứu tại Unicamp Munir Salomão Skaf.

“Được sử dụng chủ yếu trong sản xuất chai nước giải khát, polyethylene terephthalate cũng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất quần áo, thảm và các đồ vật khác. Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã xác định cấu trúc ba chiều của enzym có khả năng tiêu hóa nhựa này, chúng tôi thiết kế nó, làm tăng khả năng phân hủy của nó và chúng tôi đã chứng minh rằng nó cũng hoạt động trong polyethylene-2,5-furanedicarboxylate (PEF), a thay thế cho PET được sản xuất từ ​​nguyên liệu thô tái tạo, ”Silveira nói với Agência FAPESP.

Mối quan tâm đến PETase xuất hiện vào năm 2016, khi một nhóm các nhà nghiên cứu Nhật Bản, dẫn đầu bởi Shosuke Yoshida, xác định một loài vi khuẩn mới, Ideonella sakaiensis, có thể sử dụng polyethylene terephthalate làm nguồn cacbon và năng lượng - nói cách khác, có thể nuôi PET. Cho đến nay, nó là sinh vật duy nhất được biết đến với khả năng này. Nó thực sự phát triển trên PET.

"Ngoài việc xác định Ideonella sakaiensis, người Nhật đã phát hiện ra rằng nó tạo ra hai loại enzym được tiết ra môi trường. Một trong những enzym được tiết ra chính xác là PETase. Vì nó có một mức độ kết tinh nhất định, PET là một loại polymer rất khó phân hủy. Về mặt kỹ thuật, chúng tôi sử dụng thuật ngữ 'recalcitrance' để đặt tên cho đặc tính mà một số polyme được đóng gói chặt chẽ phải chống lại sự xuống cấp. PET là một trong số đó. Nhưng PETase tấn công nó và phá vỡ nó thành các đơn vị nhỏ - axit terephthalic mono (2-hydroxyethyl) (MHET). Các đơn vị MHET sau đó được chuyển đổi thành axit terephthalic [bởi một enzym thứ hai] và được vi khuẩn hấp thụ và chuyển hóa, ”Silveira nói.

Tất cả các sinh vật đã biết đều sử dụng phân tử sinh học để tồn tại. Tất cả ngoại trừ Ideonella sakaiensis, quản lý sử dụng một phân tử tổng hợp, do con người sản xuất. Điều này có nghĩa là vi khuẩn này là kết quả của một quá trình tiến hóa rất gần đây diễn ra trong vài thập kỷ qua. Nó đã xoay sở để thích nghi với một loại polymer được phát triển vào đầu những năm 1940 và chỉ bắt đầu được sử dụng trên quy mô công nghiệp vào những năm 1970. Vì vậy, PETase là mảnh ghép quan trọng.

“PETase thực hiện phần khó nhất, đó là phá vỡ cấu trúc tinh thể và khử phân giải PET thành MHET. Công việc của enzym thứ hai, enzym biến MHET thành axit terephthalic, đã đơn giản hơn nhiều, vì cơ chất của nó được hình thành bởi các monome mà enzym có thể tiếp cận dễ dàng vì chúng được phân tán trong môi trường phản ứng. Do đó, các nghiên cứu tập trung vào PETase ”, Silveira giải thích.

Bước tiếp theo là nghiên cứu PETase một cách chi tiết và đây là đóng góp của nghiên cứu mới. “Trọng tâm của chúng tôi là tìm hiểu điều gì đã cho PETase khả năng làm điều gì đó mà các enzym khác không thể làm rất hiệu quả. Để làm được điều đó, bước đầu tiên là thu được cấu trúc ba chiều của protein này ”, ông nói.

“Có được cấu trúc ba chiều có nghĩa là tìm tọa độ x, y và z của mỗi nguyên tử trong số hàng nghìn nguyên tử tạo nên đại phân tử. Các đồng nghiệp người Anh của chúng tôi đã thực hiện công việc này bằng cách sử dụng một kỹ thuật nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi gọi là nhiễu xạ tia X, ”ông giải thích.

Enzyme biến tính liên kết tốt hơn với polyme

Khi đã có được cấu trúc ba chiều, các nhà nghiên cứu bắt đầu so sánh PETase với các protein liên quan. Thứ gần nhất là cutinase từ vi khuẩn Thermobifida fusca, vi khuẩn này phân hủy lớp cutin, một loại dầu bóng tự nhiên phủ lên lá cây. Một số vi sinh vật gây bệnh sử dụng cutinase để phá vỡ hàng rào cutin và chiếm các chất dinh dưỡng có trong lá.

Hình ảnh: Cấu trúc PETase, màu xanh lam, với một chuỗi PET (màu vàng) được gắn vào vị trí hoạt động của nó, nơi nó sẽ bị phân hủy. Thông cáo báo chí / Rodrigo Leandro Silveira.

“Chúng tôi phát hiện ra rằng, trong khu vực của enzyme nơi các phản ứng hóa học diễn ra, cái gọi là 'vị trí hoạt động', PETase có một số khác biệt liên quan đến cutinase. Nó có một trang web hoạt động cởi mở hơn. Thông qua mô phỏng máy tính - và đây là phần tôi đóng góp nhiều nhất - chúng tôi có thể nghiên cứu các chuyển động phân tử của enzyme. Trong khi cấu trúc tinh thể học, thu được bằng nhiễu xạ tia X, cung cấp thông tin tĩnh, các mô phỏng giúp có thông tin động và khám phá vai trò cụ thể của từng axit amin trong quá trình phân hủy PET ”, nhà nghiên cứu từ IQ-Unicamp giải thích.

Vật lý chuyển động của các phân tử là kết quả của các lực hút và lực đẩy tĩnh điện của một mảng lớn các nguyên tử và nhiệt độ. Mô phỏng máy tính cho phép chúng tôi hiểu rõ hơn về cách thức PETase liên kết và tương tác với PET.

“Chúng tôi phát hiện ra rằng PETase và cutinase có hai axit amin khác nhau ở vị trí hoạt động. Sử dụng các quy trình sinh học phân tử, sau đó chúng tôi tạo ra các đột biến trong PETase, với mục đích biến đổi nó thành cutinase ”, Silveira cho biết.

“Nếu chúng tôi có thể làm được điều này, chúng tôi sẽ cho thấy tại sao PETase lại là PETase, tức là chúng tôi sẽ biết những thành phần nào mang lại cho nó tính chất đặc biệt của PET phân hủy như vậy. Nhưng trước sự ngạc nhiên của chúng tôi, bằng cách cố gắng ngăn chặn hoạt động đặc biệt của PETase, tức là, bằng cách cố gắng biến đổi PETase thành cutinase, chúng tôi tạo ra một loại PETase hoạt động mạnh hơn. Chúng tôi đang tìm cách giảm hoạt động và thay vào đó, chúng tôi tăng nó lên ”, ông nói.

Điều này đòi hỏi các nghiên cứu tính toán sâu hơn để hiểu tại sao PETase đột biến lại tốt hơn PETase ban đầu. Với mô hình và mô phỏng, có thể thấy rằng những thay đổi được tạo ra trong PETase có lợi cho sự kết hợp của enzyme với cơ chất.

Enzyme biến tính liên kết tốt hơn với polyme. Sự kết hợp này phụ thuộc vào các yếu tố hình học, nghĩa là, kiểu "chìa khóa và ổ khóa" phù hợp giữa hai phân tử. Ngoài ra còn có các yếu tố nhiệt động lực học, tức là sự tương tác giữa các thành phần khác nhau của enzym và polyme. Cách dễ hiểu để mô tả điều này là nói rằng PETase biến tính có “ái lực lớn hơn” với chất nền.

Xét về một ứng dụng thực tế trong tương lai, để thu được một thành phần có khả năng phân hủy hàng tấn chất thải nhựa, nghiên cứu đã thành công rực rỡ. Nhưng câu hỏi về điều gì làm cho PETase trở thành một PETase vẫn chưa được giải đáp.

“Cutinase có các axit amin a và b. PETase có các axit amin x và y. Chúng ta tưởng tượng rằng, bằng cách trao đổi x và y lấy a và b, chúng ta sẽ có thể biến đổi PETase thành cutinase. Thay vào đó, chúng tôi sản xuất một loại PETase cải tiến. Nói cách khác, hai axit amin không phải là giải thích cho hành vi khác biệt của hai enzym. Đó là một điều khác, ”Silveira nói.

sự tiến hóa liên tục

Cutinase là một loại enzyme cổ đại, trong khi PETase là một loại enzyme hiện đại, do áp lực tiến hóa khiến nó có thể Ideonella sakaiensis thích ứng với môi trường chỉ chứa hoặc chủ yếu polyethylene terephthalate làm nguồn cacbon và năng lượng.

Trong số rất nhiều vi khuẩn không thể sử dụng polyme này, một số đột biến đã tạo ra một loài có thể làm được điều đó. Loại vi khuẩn này bắt đầu sinh sản và phát triển nhiều hơn những con khác vì nó có đủ thức ăn. Cùng với đó, cô ấy đã phát triển. Ít nhất đó là lời giải thích được cung cấp bởi thuyết tiến hóa tiêu chuẩn.

“Việc chúng tôi có được một loại enzyme tốt hơn bằng cách tạo ra một thay đổi nhỏ cho thấy rằng quá trình tiến hóa này vẫn chưa hoàn thiện. Vẫn còn những khả năng tiến hóa mới cần được hiểu và khám phá, nhằm thu được các enzym hiệu quả hơn. PETase được cải thiện không phải là cuối con đường. Nó chỉ là sự khởi đầu, ”Silveira nói.

Với quan điểm ứng dụng, bước tiếp theo là chuyển từ quy mô phòng thí nghiệm sang quy mô công nghiệp. Đối với điều này, các nghiên cứu khác, liên quan đến kỹ thuật lò phản ứng, tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí sẽ là cần thiết.