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/