Bioplastika

Biopolimeri

Upotreba plastike je stara otprilike koliko i sama ljudska civilizacija. Stari Egipćani su koristili prirodnu plastiku za ukrašavanje svojih sakrofaga, a Stari Grci su pravili nakit od ćilibara. Ipak, kroz vekove ljudska potreba za upotrebom plastičnih masa raste, te početkom 20. veka sintetiše se bakelit, proizveden  od katrana, a 1909. nastaje plastika kakvu danas poznajemo. U ovom veku dolazi do ekspanzije u proizvodnji plastike, nastaje veliki broj različitih plastičnih masa koje menjaju prirodne materijale, plastika se naročito koristi za potrebe vojne industrije za vreme dva svetska rata, a nakon toga pronalazi sve veću primenu u svakodnevnom životu. (Bijker, Wiebe E. The social construction of Bakelite: Toward a theory of invention. Cambridge, MA: MIT press, 1987.)

Plastika poput polietilena, polipropilena i polivinil hlorida menja prirodne materijale jer je njihova masovna proizvodnja mnogo jeftinija, a materijali koji nastaju su laki i vrlo otporni na delovanje različitih agenasa, te lako zamenjuju materijale od kamena, metala i drveta. Ipak, široka primena ovih materijala je praćena velikim ekološkim problemima kojih postajemo svesni 80ih godina prošlog veka. Plastičnim masama je potrebno stotine godine da se razlože u prirodnim uslovima, te je danas veliki broj ekosistema zatrpan plastikom, koja ne samo da menja uslove u životnoj sredini, već u procesu hemijske transformacije prelazi u obliko mikro- I nano plastike koja se impregnira u živa bića, a koja je veoma štetna. Danas se intenzivno radi na reciklaži ovog materijala, ali ipak relativno mali procenat plastičnih masa zaista bude recikliran. Da li postoji alternativa upotrebi plastičnih masa, koja bi minimalizovala štetan uticaj na životnu sredinu?

Osamdesetih godina prošlog veka se prvi put uvodi pojam bioplastike, kad su istraživanja pokazala da određene vrste mikroorganizama, najviše iz roda Pseudomonas, imaju sposobnost da u uslovima nutritivnog stresa aktiviraju biosintetske puteve u kojima sintetišu jedinjenja poput polihidroksialkanoata koje nagomilavaju u svojoj ćeliiji i kasnije koriste kao izvor ugljenika i energije. Analizom ovih jedinjenja pokazalo se da imaju osobine plastičnih masa, se te danas intenzivno radi na genetičkom inženjerstvu i modifikaciji mikroorganizama u cilju aktivacije ovih biosintetskih puteva. Zašto su ova jedinjenja tako značajna? Biokompatibilna su, potiču iz živih organizama i kao što mogu da se sintetišu, tako mogu i da se razgrade, za razliku od standardih plastičnih masa koje nastaju u petrohemijskoj industriji od fosilnih goriva i koje nisu biorazgradive.

Bioplastika ne samo da ima slične karakteristike kao konvencionalne plastične mase, već često pokazuje mnogo bolje fizičko-hemijske, mehaničke i termičke perfomanse. Ipak, bitno je razgraničiti pojmove bio-bazirana bioplastika i biorazgradiva bioplastika, s obzirom da proizvodnja bioplastike danas čini manje od 1% ukupne proizvodnje plastike, a od toga 44% je bio-bazirana plastika koja nije biorazgradiva. Iako je veoma pogodna za industriju, nije sjajna alternativa standardnim plastičnim masama. Biorazgradiva plastika koja se na industrijskoj skali proizvodi jesu polihidroksialkanoati, polilaktonska kiselina, polibutilen sukcinat i polihidroksialkanoati.  (Jeremic, Sanja, et al. "Understanding bioplastic materials–Current state and trends." Journal of the Serbian Chemical Society 85.12 (2020): 1507-1538.)

Biorazgradiva plastika koja je ušla u širu primenu i koja je danas veoma dobro proučena jesu polihidroksialkanoati. Sintetišu ih bakterija iz roda Pseudomonas, a prekursori za sintezu se dobijaju u putevima sinteze i razgradnje masnih kiselina. Put sinteze polihidroksialkanoata može da bude kompleksniji  i može da uključuje intermedijere iz Krebsovog ciklusa iz različitih kataboličkih puteva i iz puta koji se odnosi na sintezu polihidroksibutirata. Zapravo u industriji se ne koriste isključivo polihidroksialkanoati, već uglavnom se koristi biopol, kao kopolimer polihidroksibutirata I polihidroksivalerata koji ima vrlo zadovoljavajuće karakteristike za različitu pripremu.Danas je našao široku primenu u proizvodnji ambalaža u prehrambenoj industriji, kao I u medicini, gde se koristi za proizvodnju veštačkih kukova i srčanih zalizaka.

Veliki uspeh genetičkog inženjerstva 90ih godina prošlog veka je nastanak transgenih biljaka koje su modifikovane tako da mogu da sintetišu bioplastiku, pre svega polihidroksibutirat, te trenutno postoje transgeni duvan, transgeni lan, šećerna trska i kukuruz koje imaju sposobnost sinteze ovog polihidroksialkanoata. Koje su prednosti transgenih biljaka u odnosu na mikroorganizme? Pre svega biljke imaju veću biomasu, uslovi u kojima rastu su mnogo manje zahtevni u odnosu na sojeve mikroorganizama, samim tim mnogo jednostavnije se može dobiti mnogo veća količina biopolimera. Naravno produkcija mora da se odvija u određenim biljnim tkivima, kako ovi biosintetski putevi ne bi interferirali sa fiziologijom biljaka i procesima rasta i razvića. Ipak u najvećoj meri danas se koriste C4 biljke za ove potrebe, naročito biljke roda Miscantus. Ovo je biljka koja spada u porodicu trava, raste uglavnom na Bliskom Istoku i za nju je dokazano da uspešno raste na kontaminiranim zemljištima, tako da je ova biljka izuzetno pogodna i za procese bioremedijacije tla, ali isto tako ova biljna masa se može koristiti i za proizvodnju bioplastike. Pored  biljke Miscantus, veliku primenu u industriji nalazi i transgeni lan, u kojem se sintetisani polihidroksibutirat kombinuje sa lanenim vlaknima za dobijanje materijala koji se primenjuje u automobilskoj industriji i građevinarstvu. (Wróbel M, Zebrowski J, Szopa J. Polyhydroxybutyrate synthesis in transgenic flax. J Biotechnol. 2004 Jan 8;107(1):41-54. doi: 10.1016/j.jbiotec.2003.10.005. PMID: 14687970.)

Zašto je neophodno da pronalazimo alternative konvencionalnim plastičnim masama?

Konvencionalne plastične mase, koje se nagomilavaju u životnoj sredini, razgrađuju se stotinama godina i ovaj otpad predstavlja jedan od najvećih ekoloških izazova današnjice. S druge strane da bi se plastika reciklirala i generalno razgradila, neophodno je da prvo dođe do njene depolimerizacije pomoću različitih industrijskih metoda koje ove sintetičke organske polimere prevose u oligomere, dimere i monomore zavisno od tipa plastike. Ovo podrazumeva upotrebu intenzivnih industrijski katalizovanih tretmana, nakon kojih se gradivni elementi nastali od ovih polimera izlažu aerobnom ili anaerobnom delovanju različitih mikroorganizama (biotički tretman) ili daljem abiotičkom tretmanu određenim hemijskim agensima. Karakteristika svih ovoh proces jesu nusproizvodi koji mogu biti opasni, a koji ne nastaju u enzimski katalizovanim reakcijama.

Biorazgradiva plastika za početnu depolimerizaciju zahteva neki faktor iz spoljašnje sredine kao što je visoka ili niska temperatura, slana voda, nakon čega razgradnju dalje vrše bakterijski enzimi, bilo da su lokalizovano ekstracelularno ili  u samim mikroorganizmima. Dati polimeri se razgrađuju na monomere koje mikroorganizmi mogu da koriste za ponovnu sintezu bioplastike, te se dobije jedan zatvoren proces.

Vrlo zanimljivo otkriće jeste da sposobnost degradacije bioplastičnih masa nemaju isključivo mikroorganizmi, već i neke duge vrste živih organizama. Između ostalog dokazano je da voštani moljac može ne samo da razgrađuje bioplastiku, već njegove larve vrlo uspešno degraduju polietilen do etilen glikola. Ipak osnova ovog procesa i fizioloških mehanizama ostaje relativno nerazrešena.

S obzirom na klimatske promene i druge ekološke probleme sa kojima se susrećemo od krucijalnog je značaja posvetiti pažnju različitim alternativama koje uspešno menjaju plastične mase, jer na taj način ne samo da smanjujemo zagađenje životne sredine i nagomilavanje otpada, već štedimo velike količine energije i smanjujemo emisiju gasova staklene bašte, što može pozitivno da utiče na klimatske promene.(TY  - JOUR,AU  - Bombelli, Paolo, Howe, Christopher, Bertocchini, Federica; Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella)

Bioplastika

Početkom 20. veka sintetiše se bakelit koji je poreklom od katrana, i u suštini svi proizvodi od plastičnih masa jesu poreklom od različitih derivata nafte, tj. fosilnih jedinjenja. 1909. godine nastaje plastika za sve ono što koristimo danas pod tim terminom. U 20. veku dolazi do ekspanzije kada je u pitanju proizvodnja plastike, posebno u poslednjih 50 godina kada se otkriva i veliki broj različitih plastičnih masa. U prvoj polovini 20.veka ekspanzija se odnosi najvise na to da su različiti prirodni materijali zamenjeni plastikom, posebno za potrebe pravljenja oružija i sve što se koristilo u toku WWI i WWII, a onda posle WWII i u poslednjih 50 godina ta ekspanzija se više odnosi na upotrebu različitih plastičnih materijala u svakodnevnom životu. Ovakvi materijali zamenjuju prirodne jer je njihova proizvodnja jeftina, što je prvi uslov da bi nešto dostiglo masovnu proizvodnju, a drugo, materijali koji se dobijaju su laki i vrlo otporni na delovanje različitih agenasa pa lako mogu da zamene materijale od kamena, metala ili drveta, i tako nalaze široku primenu. Ono što ide sa tom širokom primenom je nešto čega smo postali svesni 80ih godina prošlog veka, a to je da smo sve ove materijale koji su laki i vrlo otporni, nataložili su životnoj sredini, i ne samo što su oni pokrili različite ekosisteme nego počinju i da ih ugrožavaju. Tim materijalima je potrebno stotine godina da bi se razložili u prirodnim uslovima, i u zavisnosti od toga u kojoj se sredini nalaze dobijamo različite strukture koje se nazivaju makro i mikroplastika. Makroplastika menja životne uslove u sredini u kojoj se ti materijali nagomilavaju u smislu da u vodenim sredinama to postaju nova mesta na kojima se dobija jedan potpuno novi život različitih organizama koji tu žive. Mikroplastika završava u telu morskih životinja, tako da mi verovatno već sad jedemo tune i losose koji su garnirani mikroplastikom. Ovo stvarno postaje jedan gorući problem u čije rešavanje su uložene velike pare kako bi se razvile različite metode za recikliranje ovih raznovrsnih oblika plastike i kako bi se podigla svest o tome kako da odvajamo taj otpad. Međutim, jako mali procenat plastike koju svakodnevno upotrebljavamo bude reciklirano. Proces reciklaže ima i predpripremne radnje koje odnose vreme i novac. Materijali koji su najzastupljenij i - koji su našli najširu primenu su: polietilen, polipropilen, polivinil hlorid. 80ih godina se uvodi prvi put pojam BIOPLASTIKE tj pojam biorazgradive plastike. Ova ideja je mnogo više razrađena nešto kasnije i sada je u fokusu istraživanja nekih naučnih grupa. Različita istraživanja koja su vršena na različitim tipovima mikroorganizama su pokazala da postoje neki mikroorganizmi, najviše iz roda Pseudomonas, koji imaju sposonost da u uslovima nutritivnog stresa (kada nemaju povoljne fiziološke uslove za rast i razviće), aktiviraju biosintetske puteve u kojima sintetišu neka jedinjenja npr polihidroksialkanoate koje nagomilavaju u svojoj ćeliji i koje kasnije koriste kao izvor ugljenika i energije. Analizom tih jedinjenja se pokazalo da oni imaju osobine plastičnih masa, čime se u stvari i došlo do ideje da se ta jedinjenja mogu koristiti za dobijanje biorazgradive plastike. Sada se radi na tome da se koriste različiti mikroorganizmi koji imaju sposobnost da razviju te biosintetske puteve ili da se metodama genetičkog inženjerstva oni ’’nateraju’’ da proizvode različite oblike bioplastike, u cilju njene primene. Ono što je bitno za njih jeste da su biokompatibilni, tj. da potiču iz živih organizama i kao što mogu da se sintetišu, tako mogu i da se razgrade. Ono što je još važnije je to da se oni ne sintetišu kao što je slučaj sa plastikom koju smo do sada proizvodili, koja nije biorazgradiva (ona koja nastaje u petrohemijskoj industriji od fosilnih goriva). Karakteristika biorazgradive plastike jeste da ona u životnoj sredini, nakon određeog broja dana (a to nisu u pitanju stotine godina) može u potpunosti da bude razgrađena.

Polihidroksialkanoati

Jedan tip najbolje proučenih i jedan oblik biorazgradive plastike koja je ušla u širu primenu jesu polihidroksialkanoati. Njih sintetišu bakterije iz roda Pseudomonas, ali sad već i neki drugi mikroorganizmi, kako bi koristili ove polimere kao izvore ugljenika i energije. Kada je put biosinteze u pitanju, karakteristično je to da postoje 2 osnovna procesa koja su izvor prekursora za ovu biosintezu. To je proces razgradnje i proces sinteze MK. Prekursori za biosintezu su različiti kod različitih mikroorganizama i zato postoji mogućnost da se kod onih mikroorganizama kod kojih ne postoji razvijen ovaj biosintetski put, genetičkim inženjerstvom ubace neophodni enzimi da bi se mikroorganizmi doveli u stanje da to sintetišu. Ovo je bitno jer kad se ide na industrijsku skalu, bitno je da organizmi koji se za to koriste budu laki za manipulaciju (lako se gaje, brzo rastu i brzo se razmnožavaju; prave velike kulture u fermentorima koji će sintetisati veliku količinu bioplastike). Prekursori za biosintezu polihidroksialkanoata mogu da budu glicerol ili glukoza. Glicerol može da uđe u proces glikolize preko intermedijera (dihidroksiaceton-fosfata). Glikoliza se završava u piruvatu, a on u oksidativnoj dekarboksilaciji prelazi u acetil-S-CoA koji je prekursor za biosintezu MK. Jedan od intermedijera biosinteze MK jeste hidroksiacetil-acyl carrier protein koji je prekursor za sintezu hidroksiacetil-S-CoA koji je direktan prekursor za sintezu polihidroksialkanoata (enzim: polihidroksialkanoat sintaza). Prekursor za biosintezu bioplastike može da se dobije i iz puta β-oksidacije MK (put katabolizma MK), u zavisnosti od fiziološkog stanja mikroorganizma (bakterije). Ceo put biosinteze polihidroksialkanoata može da bude i kompleksniji; osim puta biosinteze i katabolizma MK, sinteza polihidroksialkanoata može da ide i preko nekih drugih intermedijera koji se dobijaju iz: Ciklusa limunske kiseline, iz pojedinačnih kataboličkih puteva (različitih fizioloških intermedijera), ili recimo iz jednog puta koji se odnosi na sintezu polihidroksibutirata (jedan tip polihidroksialkanoata, za koji je razvijen i metod sinteze u biljakama). On ide tako što od acetil-S-CoA delovanjem enzima β-ketotiolaze dobija acetoacetat-S-CoA, zatim ga odgovarajuća reduktaza prevodi u dihidroksibutirat-S-CoA koji polihidroksialkanoat sintaza prevodi u polihidroksialkanoatpolihidroksibutirat. Analizom različitih mikroorganizama se pokazalo da bioplastiku možemo da dobijemo kroz različite biohemijske i fiziološke puteve koji postoje u tim mikroorganizmima ili metodom genetičkog inženjerstva. Zanimljivo kod bioplastike je i njena primena u medicini. Koriste se za proizvodnju npr veštačkih kukova, veštačkih srčanih zalistaka. To je sada biokompatibilno sa drugim živim organizmima (ljudima).

Biopol

Biopol je do sada jedina komercijalno primenjena plastika, tj. biorazgradivi polimer. On je u stvari jedan kopolimer. Polihidroksibutirat (može da se sintetiše u bakterijama i u biljkama) se pokazao po svojim osobinama da ima osoinu plastičnih masa ali je bio prililčno krt i rigidan pa je bio i lako lomljiv. Zbog toga su urađene modifikacije. Kada se napravi kopolimer sa polihidroksivaleratom dobija se plastična masa koja ima sve zadovoljavajuće karakteristike za različitu primenu, i taj kopolimerpolihidroksibutirat-polihidroksivalerat se zove BIOPOL i primenjuje se kao biorazgradiva plastika za dobijanje različitih proizvoda.

Transgene biljke

Ovaj biosintetski put, koji je otkriven u različitim mikroorganizmima, je metodama genetičkog inženjerstva prenesen u biljke. To je urađeno 90ih godina prošlog veka. Ovakve biljke se zovu transgene biljke. Pokazalo se da na taj način možemo da dobijemo biljke koje mogu da sintetišu odgovarajuće plastične mase i konkretno je ubačen put u kome se sintetiše polihidroksibutirat. Na primer postoji transgeni duvan koji ima sposobnost za sintezu polihidroksibutirata. Ovo se razlikuje od proizvodnje bioplastike putem mikroorganizama po tome što biljke imaju veću biomasu i biljke su manje zahtevne što se tiče uslova u kojima rastu i razvijaju se. Biljka se posadi na neko polje i proizvodi se velika količina biopolimera. Kod mikroorganizama treba sve dovesti do industrijskog procesa gde imamo biofermentore u kojima mikroorganizmima mora da se priuste određena hrana i uslovi, i na neki način se više troši da bi se manje dobilo. Kada je u pitanju pravljenje ovakvih transgenih biljaka, pokazalo se da sa tim treba biti oprezan zato što je to ipak nešto strano za biljku. Ako nije kontrolisano i ako se ta produkcija ne odvija u odgovarajućim tkivima, to može da poremeti fiziologiju biljke što utiče samim tim na njen rast i razviće. Za ovakve eskperimente se koriste C4 biljke, i to predstavnici kako oni koji se koriste u svakodnevnoj ishrani (šećerna trska i kukuruz) tako i biljke kao što je Miscantus. Miscantus je biljka koja spada u porodicu trava, dosta se gaji na Bliskom Istoku i za nju je pokazano da vrlo uspešno i vrlo intenzivno raste na različitim oblicima kontaminiranog zemljišta (jalovine-formiraju se u rudnicima, površine koje nastaju kada se uzima neka ruda pa ostaju ostaci koji su iskopani i koji se ne koriste; izgleda kao velike peščane dine). Takva zemljišta su mrtva, na njima nište ne može da uspeva i na njima nema života, osim možda nekih mikroorganizama. Miscantus vrlo uspešno može da se posadi na takvim mestima i da poraste, a to je dobro jer kada se neki rudnik napusti ili kada želimo da obnovimo neko zemljište koje je na neki način kontaminirano, posade se takve biljke i one formiraju prve zajednice (dolaze i mikroorganizmi koji su s njima u simbiozi, oni počinju da obogaćuju to zemljište, pa biljni i životinjski svet na tom tlu postaje raznovrsniji). Ovakve biljke su sve više u fokusu kako bi se njima s jedne strane vršila bioremedijacija nekog tla, a s druge strane da se ta biljna masa iskoristi za proizvodnju bioplastike.

Značaj

S obzirom na veliki problem nagomilavanja plastike koja se u prirodnoj sredini ne može razložiti sama, tj. treba im jako dug period za to (stotine godina), ova alternativa ima veliki potencijal. Kada je u pitanju reciklaža i uopšte razgradnja plastike, mora prvo da se izvrši njena depolimerizacija različitim industrijskim metodama (to su sintetički organski polimeri koji moraju da se prevedu u oligomere, dimere, monomere u zavisnosti od tipa plastike). To podrazumeva primenu intenzivnih tretmana - od termičkih do oksidativnih, fotooksidativnih, hemijskih - da bi se posle ti gradivni elementi na koje ovi polimeri mogu da se razlože, ispoljili aerobnom ili anaerobnom delovanju različitih mikroorganizama (biotički tretman) ali i daljem abiotičkom tretmanu (različitim hemijskim agenskima) kako bi se u potpunosti plastika razgradila. Karakteristika svih industrijski katalizovanih procesa (u odnosu na biohemijski katalizovane procese) jeste da imaju nusproizvode, dok su enzimski katalizovane reakcije usmerene i nemaju nusproizvode. Ono što je veliki problem jesu nusproizvodi koji se dobijaju u svakoj industrijskoj proizvodnji, pa i u procesu razgradnje plastike. Još jedan preduslov pored toga da proizvode treba odvajati, jeste i da ti proizvodi ako su sadržali npr mleko ili jogurt (koji ne sme da ostane) treba da se očiste, jer u reciklažu mora da ide čist plastični materijal. Kad je u pitanju biorazgradiva plastika, taj početni efekat može biti neka visoka temperatura ili slana voda, niska temperatura, neki faktor koji dolazi iz spoljašnje sredine, da započne proces razgradnje tj da započne proces depolimerizacije. Dalje to rade enzimi (bakterijski). Bakterijski enzimi koji se nalaze ekstracelularno (koje sintetišu mikroorganizmi) ili se nalaze u samim mikroorganizmima, razlažu biorazgradivu plastiku tj. bioplastiku na monomere koje oni mogu ponovo da koriste. To onda predstavlja jedan zatvoreni proces. Primer jednog rada: Napravljen je jedan zatvoreni ciklus. Postoji bakterija koja ima sposobnost da sintetiše polihidroksibutirat, ali ima sposobnost da sintetiše enzime koji tu vrstu plastične mase mogu da razlože na gradivne jedinice koje ta bakterija može da koristi za sintezu nove bioplastike (nešto upotrebljeno može da se iskoristi za dobijanje nove bioplastike koja može ponovo da uđe u industrijsku proizvodnju). Takođe su urađeni i neki eksperimenti kojima se pokazalo da mikroorganizmi imaju ove enzime, što nije bio neočekivano jer su u njima i pronađeni procesi za biosintezu onoga što mi zovemo bioplastika, ali onda se pokazalo da postoje neki drugi organizmi koji imaju sposobnost da razgrađuju biorazgradivu plastiku. Eksperiment je urađen na voštanom moljcu. On je stavljen na biorazgradivu kesu, i pokazalo se da, u roku od nekih 12h, na kesi postoje promene (promene koje su izvršili ovi moljci). Kada je urađena analiza pokazalo se da oni mogu da izazovu proces depolimerizacije. Još nije ustanovljeno šta je to što je odgovorno za ovaj proces biorazgradnje. Drugi rad, nešto ranije urađen, sa nekom vrstom crva, je pokazao da takođe i ovi organizmi mogu da koriste polietilen kao izvor ugljenika. Međutim, to nisu uradili oni; to je efekat mikroorganizama koji su se nalazili u njihovom stomaku. Tako da su opet u pitanju mikroorganizmi koji žive u simbiozi sa ovim crvima i omogućili su im da koriste polietilen kao izvor ugljenika.

Petaza

Petaza je enzim koji ima sposobnost razgradnje polietilen tereftalata. Polietilen tereftalat je sintetički polimer (nije bioplastika). Postoje mikroorganizmi koji sadrže enzime koji mogu da razgrađuju ne bioplastiku, već plastiku. Polietilen tereftalat- PET, je vrsta plastike koja se najviše koristi kao ambalaža za različite tečne napitke. Neki radovi su pokazali da postoje različiti enzimi koji su najčešće izolovani iz bakterija i gljiva (lipaze, esteraze, karbokislaze) koji imaju sposobnost da razlažu polietilen tereftalat, ali nisu bili efikasni u toj meri da bi ušli u industrijsku proizvodnju. Ceo taj proces je bio na nivou otkrića da je to moguće. Eksperimenti koji su rađeni na ovom enzimu su podrazumevali mutacije u aktivnom mestu ili dodavanje jona metala - pokušaji da se enzim napravi efikasnijim, ali to nije urodilo plodom. Grupa japanskih naučnika je otišla u fabriku gde se vrši reciklaža plastike i iz skladišta plastike su radili izolaciju takvog materijala, uzimali su uzorke i stavljali ih na hranljivu podlogu koja je kao jedini izvor ugljenika imala polietilen tereftalat. Hteli su ciljano da izoluju bakteriju koja može da živi samo na polietilen tereftalatu, i to im je 2016. godine uspelo. Bakterija spada u rod Ideonella, nazvali su je Ideonella sakaiensis. Ova bakterija je mogla da raste samo na polietilen tereftalatu kao izvoru ugljenika. Oni su identifikovali enzim koji se nalazi u ovoj bakteriji, nazvali su je petaza (enzim koji može da razlaže polietilen tereftalat-PET). On razlaže polietilen tereftalat na etilen-glikol i tereftalnu kiselinu koji su sastavni elementi, odnosno monomeri koji daju ovaj polimer (ovu vrstu plastike). U narednim godinama je objavljeno još nekoliko radova koji su prilično (ne potpuno) identifikovali karakteristike ovog enzima i pretpostvaljen mehanizam njegovog delovanja. Ovaj enzim spada u serinproteinaze (kao tripsin, himotripsin). Za njih je karakteristično da imaju katalitičku trijadu Ser, His i Asp koji učestvuju u procesu katalize delovanja ovih enzima u procesu razgradnje. Optimalna temperatura za delovanje ovog ezima nije ekstremna (ni mnogo niska ni mnogo visoka) - optimalna temperatura je 30°C. Delovanje enzima petaze Identifikovana je 3D struktura enzima. U aktivnom mestu postoji jedna krivina i tu se dešava mesto hidrolize tj. razgradnje supstrata. To aktivno mesto su podelili na 2 podmesta: podmesto 1 i podmesto 2. Tačno se zna koji deo polimera se može vezati za podmesto 1, odnosno podmesto 2. Kao proizvod se ne dobija odmah tereftalna kiselina i etilen-glikol (to je krajnji proizvod), nego dobijamo različite oligomere koji se razlažu delovanjem još jednog enzima (za koji se pretpostavlja da postoji u bakteriji). Taj enzim može da razloži monoetilen - tereftalat. Dakle, delovanjem ova dva enzima dobijaju se kranji monomeri. Dobijaju se i različiti proizvodi prilikom procesa razgradnje: može da ima 2 etilen - glikola, 1 etilen - glikol i 1 terftalnu kiselinu, ili je u pitanju jedan dimer koji ima na jednom kraju 1 etilen - glikol i 1 tereftalnu kiselinu ili 2 etilen glikola i 1 tereftlnu kiselinu. U svakom slučaju, uvek se ponovno vezivanje tih proizvoda razgradnje dešava na isti način, tj uvek se u određenom podmestu aktivnog mesta nađe ili tereftalna kiselina ili etilen - glikol. Ne zna se do kraja tačno kako ovaj enzim deluje, ali ono što je sigurno jeste da u ovom procesu katalize učestvuje katalitička trijada (Ser, His, Asp) i učestvuje još jedan Trp koji uspostavlja interakciju sa tereftalnom kiselinom koja se nađe na mestu raskidanja ove veze. Petaza se nalazi u bakteriji Ideonella sakaisensis ali je enzim sa sličnom aktivnošću pronađen i u drugim mikroorganizmima (sličnost su u smislu da mogu da koriste PET kao izvor ugljenika). Napravljeno je poređenje kada je u pitanju aminokiselinski i nukleotidni nivo i 3D struktura. Pokazalo se da tu nema mnogo sličnosti; ono što je zanimljivo za petazu jeste da spada u serin - proteinaze. Drugi aspekt kojim se bave naučnici jeste i evolutivno poreklo ovog enzima i da li on ima neke veze sa proteolitičkim enzimima koji se nalaze u našem digestivnom traktu. Ova bakterija je prestavljena kao bakterija koja jede plastiku, ali iako poseduje enzim koji može da razloži samo ovaj tip plastike to verovatno neće biti dovoljno da brzo recikliramo svu plastiku koju potrošimo u svakodnevnom životu.

 

Autorka: Ivona Šukunda

 

Izvori:

 

https://cris.maastrichtuniversity.nl/en/publications/the-social-construction-of-bakelite-toward-a-theory-of-invention

https://www.shd-pub.org.rs/index.php/JSCS/article/view/9720

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/14687970/