איך חיידקים אוכלי פסולת מעכלים פחמן מורכב: מידע חדש יכול להוביל לפלטפורמות מבוססות חיידקים שממחזרות פלסטיק ופסולת צמחית

במחקר חדש בראשות אוניברסיטת נורת'ווסטרן, חוקרים פענחו לראשונה את המנגנונים המטבוליים המאפשרים ג טסטוסטרוני לעכל את הבלתי ניתן לעיכול לכאורה. מידע חדש זה עשוי להוביל לפלטפורמות ביוטכנולוגיה חדשות הרותמות את החיידקים כדי לסייע במחזור פסולת פלסטיק.

המחקר יתפרסם ב-6 בפברואר בכתב העת ביולוגיה כימית של הטבע.

Comamonas מינים נמצאים כמעט בכל מקום – כולל בקרקעות ובבוצת ביוב. ג טסטוסטרוני משך לראשונה את תשומת הלב של החוקרים עם יכולתו הטבעית לעכל חומרי כביסה סינתטיים. לאחר ניתוח נוסף, מדענים גילו כי החיידק הטבעי הזה מפרק גם תרכובות מפלסטיק וליגנין (פסולת סיבית ועץ מצמחים).

למרות שחוקרים אחרים עבדו להנדס חיידקים שיכולים לפרק פסולת פלסטיק, אריסטילדה מאמינה שלחיידקים בעלי יכולות טבעיות לעכל פלסטיק יש הבטחה רבה יותר ליישומי מיחזור בקנה מידה גדול.

"חיידקי הקרקע מספקים משאב בלתי מנוצל, לא נחקר, מתרחש באופן טבעי, של תגובות ביוכימיות, שניתן לנצל כדי לעזור לנו להתמודד עם הפסולת המצטברת על הפלנטה שלנו", אמרה לודמילה אריסטילדה מצפון-ווסטרן. "מצאנו שהמטבוליזם של ג טסטוסטרוני מוסדר ברמות שונות, ורמות אלו משולבות. כוחה של המיקרוביולוגיה מדהים ויכול למלא תפקיד חשוב בביסוס כלכלה מעגלית".

את המחקר הוביל אריסטילדה, פרופסור חבר להנדסה אזרחית וסביבתית בבית הספר להנדסה מקורמיק ב-Northwestern, ודוקטורט. הסטודנטית רבקה ווילקס, שהיא המחברת הראשונה של העיתון. המחקר כלל משתפי פעולה מאוניברסיטת שיקגו, Oak Ridge National Laboratory והאוניברסיטה הטכנית של דנמרק.

בועט סוכר

רוב הפרויקטים להנדסת חיידקים כוללים אי קולי כי זהו אורגניזם המודל החיידקי הנחקר ביותר. אבל אי – קולי, במצבו הטבעי, צורך בקלות צורות שונות של סוכר. כל עוד קיים סוכר, אי – קולי יצרוך את זה – וישאיר את הכימיקלים הפלסטיים מאחור.

"הנדסת חיידקים למטרות שונות היא תהליך מייגע", אמר אריסטילדה. "חשוב לציין ש ג טסטוסטרוני לא יכול להשתמש בסוכרים, נקודה. יש לו מגבלות גנטיות טבעיות שמונעות תחרות עם סוכרים, מה שהופך את החיידק הזה לפלטפורמה אטרקטיבית".

מה ג טסטוסטרוני אבל באמת רוצה הוא מקור אחר של פחמן. וחומרים כמו פלסטיק וליגנין מכילים תרכובות עם טבעת של אטומי פחמן טעימים. אמנם החוקרים ידעו זאת ג טסטוסטרוני יכולים לעכל את התרכובות האלה, רצו לדעת אריסטילדה והצוות שלה אֵיך.

"אלה תרכובות פחמן בעלות כימיה מורכבת של קשרים," אמר אריסטילדה. "לחיידקים רבים יש קושי רב לפרק אותם".

שילוב של 'אומיקות' שונות

ללמוד איך ג טסטוסטרוני מפרקת את הצורות המורכבות הללו של פחמן, אריסטילדה וצוותה שילבו צורות מרובות של ניתוחים מבוססי "אומיקה": טרנסקריפטומיקה (מחקר של מולקולות RNA); פרוטאומיקה (מחקר של חלבונים); מטבולומיקה (מחקר של מטבוליטים); ו- Fluxomics (מחקר של תגובות מטבוליות). מחקרים מקיפים של "מולטי-אומיקה" הם פעולות מסיביות הדורשות מגוון טכניקות שונות. אריסטילדה מובילה את אחת המעבדות הבודדות שמבצעות מחקרים כל כך מקיפים.

על ידי בחינת הקשר בין transcriptomics, proteomics, metabolomics ו-fluxomics, אריסטילדה וצוותה מיפו את המסלולים המטבוליים שבהם משתמשים חיידקים כדי לפרק תרכובות פלסטיק וליגנין לפחמן למזון. בסופו של דבר, הצוות גילה שהחיידקים מפרקים לראשונה את טבעת הפחמנים בכל תרכובת. לאחר פריצת הטבעת למבנה ליניארי, החיידקים ממשיכים לפרק אותה לשברים קצרים יותר.

"התחלנו עם תרכובת פלסטיק או ליגנין שיש לה שבעה או שמונה פחמנים המחוברים זה לזה באמצעות צורה מעגלית של שישה פחמנים היוצרים את מה שנקרא טבעת בנזן", הסביר אריסטילדה. "לאחר מכן, הם מפרקים את זה לשרשראות קצרות יותר שיש בהן שלושה או ארבעה פחמנים. בתהליך, החיידקים מאכילים את התוצרים המפורקים לתוך חילוף החומרים הטבעי שלהם, כך שהם יכולים ליצור חומצות אמינו או DNA כדי לעזור להם לגדול".

מיחזור פסולת פלסטיק

גם אריסטילדה גילתה את זה ג טסטוסטרוני יכול לכוון פחמן דרך מסלולים מטבוליים שונים. מסלולים אלה יכולים להוביל לתוצרי לוואי שימושיים שניתן להשתמש בהם עבור פולימרים רלוונטיים תעשייתית כגון פלסטיק. אריסטילדה והצוות שלה עובדים כעת על פרויקט החוקר את חילוף החומרים שמפעיל את הביוסינתזה של פולימרים.

"אלה Comamonas למינים יש פוטנציאל ליצור מספר פולימרים רלוונטיים לביוטכנולוגיה", אמר אריסטילדה. "זה יכול להוביל לפלטפורמות חדשות שמייצרות פלסטיק, ומקטינות את התלות שלנו בכימיקלים נפט. אחת המטרות העיקריות של המעבדה שלי היא להשתמש במשאבים מתחדשים, כמו המרת פסולת לפלסטיק ומיחזור חומרי הזנה מפסולת. אז, לא נצטרך להמשיך להפיק כימיקלים נפט כדי לייצר פלסטיק, למשל."

אריסטילדה היא חברה במכון לקיימות ואנרגיה בתוכנית של Northwestern בנושא פלסטיקה, מערכות אקולוגיות ובריאות הציבור.