اكتشاف جديد: إنزيم PETase يتم تعديله ليكون قادراً على تكسير البلاستيك PET في 24 ساعة – دراسة تكشف عن آلية جزيئية ثورية

اكتشاف جديد: إنزيم PETase يتم تعديله ليكون قادراً على تكسير البلاستيك PET في 24 ساعة – دراسة تكشف عن آلية جزيئية ثورية. دراسة جديدة من قبل علماء من جامعة بورتسموث و جامعة جنوب فلوريدا نجحوا في تعديل إنزيم PETase الذي يأتي من البكتيريا Ideonella sakaiensis. هذا الإنزيم المعدل يمكنه تكسير البلاستيك البولي إثيلين تيريفثاليت (PET) في 24 ساعة، في حين أن عملية التكسير الطبيعية قد تستغرق قرونا. هذا الاكتشاف يفتح الباب للتصنيع المستدام للبلاستيك وتقليل التلوث البلاستيكي بشكل كبير.. مقدمة إلى الكризيس البيئي للبلاستيك العالمي التلوث البلاستيكي هو أحد التحديات البيئية الأكثر أهمية في القرن الحادي والعشرين. كل عام، يتم إنتاج أكثر من 300 مليون طن من البلاستيك في جميع أنحاء العالم، وغالبيةها تنتهي في أرض التخزين أو البحار. البلاستيك البولي إثيلين تيريفثاليت PET ، الذي يتم استخدامه على نطاق واسع في زجاجات المشروبات والمكملات الغذائية، يصعب تكسيره بشكل طبيعي. يمكن أن يستغرق عملية تكسير PET بشكل طبيعي حتى 400 عام، مما يؤدي إلى تراكم النفايات التي تضر بالبيئة. ومع ذلك، فإن الاكتشافات الحديثة في مجال البايوتكنولوجي توفر أملًا جديدًا: يمكن تعديل إنزيم PETase ليكون قادرًا على تكسير البلاستيك PET في وقت أقل من يوم. أصل إنزيم PETase تم اكتشاف إنزيم PETase للمرة الأولى في عام 2016 من قبل فريق من العلماء اليابانيين الذين درسوا البكتيريا Ideonella sakaiensis. تعرف هذه البكتيريا على أنها يمكن أن تعيش من خلال تناول البلاستيك PET كمركب كربوني. يتم إنتاج إنزيم PETase من قبل هذه البكتيريا، ويتسبب في تكسير روابط الكيمياء في سلسلة البوليمر PET، مما يؤدي إلى إنتاج مونومرات الأسيد التيريفثاليت والجليكول الإيثيل. على الرغم من أن هذا الاكتشاف كان ثوريًا، إلا أن الإنزيم الأصلي كان يعمل بسرعة شديدة، ويتطلب وقتًا تتراوح بين الأسبوع إلى الأشهر لتحليل كمية صغيرة من البلاستيك. هذا أدى إلى تحفيز العلماء على البحث عن طريقة لتحسين كفاءة الإنزيم. عملية تعديل الإنزيم في دراسة نشرت في مجلة Nature في عام 2020، نجح فريق من العلماء من جامعة بورتسموث وجامعة جنوب فلوريدا في استخدام تقنيات الهندسة البروتينية لتعديل بنية إنزيم PETase. من خلال تحليل بنية الإنزيم ثلاثية الأبعاد باستخدام الكريستالوجرافيا بالليزر، تم تحديد مواقع نشطة يمكن تعديلها. من خلال تغيير نقطة معينة في الأحماض الأمينية، تمكن العلماء من خلق نسخة من الإنزيم التي سميت 'FAST-PETase' النشاط والاستقرار والاستقرار والتحمل للبلاستيك PET . هذه النسخة تظهر زيادة في النشاط بنسبة 20 ضعف مقارنة بالإنزيم الأصلي، ويمكنها تكسير البلاستيك PET بالكامل في 24 ساعة عند درجة حرارة 50 درجة مئوية. النتائج والكفاءة الاختبارات المختبرية تظهر أن FAST-PETase يمكن أن يكسّر أنواع مختلفة من منتجات PET، بما في ذلك زجاجات المشروبات والوعاء الغذائي والكوتون البوليستر. عملية التكسير تنتج مونومرات يمكن استخدامه في تصنيع البلاستيك الجديد، مما يجعلها كتلة تدويرية حقيقية. كما وجدت الدراسة أن الإنزيم هذا مستقر في ظروف مختلفة من الحموضة والحرارة، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في الصناعة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكسّر هذا الإنزيم البلاستيك الأمورفوس الشكل غير المنسق بفعالية أكبر، وهو الشكل الرئيسي للبلاستيك في النفايات. التأثير على صناعة تدوير البلاستيك هذا الاكتشاف له القدرة على إعادة صياغة صناعة تدوير البلاستيك. الطريقة التقليدية لتدوير البلاستيك الميكانيكية غالبًا ما تنتج بلاستيك منخفض الجودة لا يصلح للاستخدام مجددًا. في المقابل، يمكن لتقنية تدوير الإنزيمية باستخدام FAST-PETase أن تنتج مونومرات من الدرجة العالية التي تساوي جودة المادة الخام الأصلية. وهذا يعني أن زجاجات البلاستيك يمكن أن يتم تدويرها إلى زجاجات جديدة دون خسارة في الجودة. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه العملية تتطلب طاقة أقل من طريقة التكسير بالحرارة أو التكسير الكيميائي، مما يجعلها أكثر استدامة وأقل تكلفة. التحديات والمستقبل على الرغم من أن النتائج الدراسية كانت مشجعة جدًا، إلا أن هناك تحديات يجب أن يتم تلافيها قبل أن يتمكن العلماء من استخدام هذه التكنولوجيا على نطاق واسع. أولًا، يحتاج إنزيم FAST-PETase إلى درجة حرارة 50 درجة مئوية ليعمل بشكل مثالي، مما قد يزيد من تكلفة الطاقة. في الوقت الحالي، يتعين على العلماء العمل على تطوير نسخة من الإنزيم فعالة عند درجة حرارة الغرفة. ثانيًا، عملية التكسير تنتج مونومرات يجب فصلها وتعديلها، مما يتطلب إطارًا إضافيًا. ثالثًا، إنزيم FAST-PETase لا يؤثر إلا على البلاستيك PET، بينما لا يزال البلاستيك الآخر مثل البولي إثيلين PE والبوليبروبيلين PP يحتاج إلى إنزيم مختلف. ومع ذلك، مع تقدم تقنيات الهندسة البروتينية والبايولوجي الصناعي، يعتقد العلماء أن إنزيمات أكثر كفاءة ومتعددة الاستخدامات يمكن أن يتم تطويرها في المستقبل القريب. الخاتمة اكتشاف إنزيم PETase المعدل يُعد تحولاً كبيرًا في الجهود المبذولة لمكافحة التلوث البلاستيكي. مع قدرته على تكسير البلاستيك PET في 24 ساعة، فإن هذه التكنولوجيا توفر حلًا عملية ومستدامًا للكризيس النفايات البلاستيكية العالمية. كما أن هذه الدراسة لا تُظهر فقط قوة البايوتكنولوجي في حل المشكلات البيئية، بل أيضًا تفتح الباب للاستكشافات المستقبلية في تدوير المواد البوليمرية. إذا تم توسيع هذه التكنولوجيا ودمجها في نظام إدارة النفايات، فقد نرى انخفاضًا كبيرًا في التلوث البلاستيكي في الأعوام القليلة المقبلة.