فريق بحث ألماني يكتشف إنزيم بكتيري جديد قادر على تحلل البلاستيك البوليستر والبنسلين

اكتشف فريق بحث من جامعة كونستانس إنزيمًا بكتيريًا جديدًا قادرًا على تحلل بعض أنواع البلاستيك البوليستر والبلاستيك الحيوي، بالإضافة إلى قدرته على قطع البنسلين، مما يشير إلى أن الميكروبات قد تتكيف مع البلاستيك بشكل أسرع مما كان يتوقعه العلماء. تم نشر هذه الدراسة في مجلة ISME Journal. يقع هذا الإنزيم على السطح الخارجي لخلايا البكتيريا، ويتميز بموقع نشط واسع بشكل غير عادي، وقد أطلق عليه عالم الميكروبيولوجيا هاري ليرنر وديفيد شلايخك اسم "إنزيم آكل الفطر". ليرنر هو المؤلف الرئيسي لهذه الدراسة، وكان في ذلك الوقت باحثًا ما بعد الدكتوراه في الجامعة.

تكمن أهمية هذا الاكتشاف في أن معظم البلاستيك الصناعي يتحلل ببطء شديد بواسطة الميكروبات، مما يؤدي إلى تفتت النفايات إلى بلاستيك دقيق ونانو بلاستيك. قد يستغرق تحلل البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) مئات إلى آلاف السنين. على الرغم من أن الميكروبات تتعمر في نفايات البلاستيك، مما يشكل موطنًا يُعرف باسم "بيئة البلاستيك" (plastisphere)، إلا أنها عادةً لا تستطيع استخدام معظم البلاستيك كغذاء.

كيف تقوم البكتيريا بتحلل البلاستيك الحيوي

على مدار عام في تربة الغابة، درس ليرنر وشلايخك، أستاذ علم البيئة الميكروبية، كيف يمكن للميكروبات أن تحلل تمامًا البلاستيك الحيوي، باستخدام أغشية البوليستر الأليفاتي الطويلة السلسلة (LCAP) التي طورتها مجموعة الكيميائي ستيفان ميكينغ. قاموا بدفن الأغشية على عمق حوالي 10 سنتيمترات في طبقة التحلل في الغابة، وفي المختبر، خلطوا مسحوق البلاستيك الحيوي مع نفس التربة، وتتبعوا انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن تنفس الميكروبات، واستمر ذلك لمدة عام. تم تحلل جميع أنواع البلاستيك الحيوي المختبرة، بما في ذلك LCAP وPHBV وPCL، تمامًا في حوالي 250 إلى 330 يومًا.

تم تحلل السليلوز في حوالي 80 يومًا، بينما لم يتحلل HDPE تقريبًا.

أظهرت الصور الملتقطة بواسطة المجهر الإلكتروني للأغشية المدفونة من LCAP وجود ثقوب بحجم الميكرون، حيث يتناسب حجم وشكل كل ثقب مع خلية بكتيرية واحدة. افترض فريق البحث أن البكتيريا الملتصقة بالإنزيمات المحللة للبلاستيك تتغلغل في الأغشية من خلال عملية الهضم، مما يتحدى الفرضيات التقليدية التي تفيد بأن البكتيريا تطلق هذه الإنزيمات فقط في البيئة المحيطة.

وظائف مزدوجة للجينات والإنزيمات

عند البحث عن الحمض النووي في التربة، اكتشف الباحثون جينًا مُركّزًا بشكل كبير في التربة التي تحتوي فقط على LCAP. يشفر هذا الجين إنزيمًا استرًا له إشارة إفراز ورابط دهنية، مما يساعده على الالتصاق بسطح الخلية. هيكله يشبه أيضًا إنزيمات β-lactamase، التي يمكنها قطع حلقة β-lactam في المضادات الحيوية مثل البنسلين. في المختبر، أظهر الفريق أن هذا الإنزيم يقوم بتحلل البوليستر إلى وحدات أحادية من خلال عملية التحلل المائي، وفي نفس الوقت يقطع البنسلين، حيث أوضح شلايخك أن الالتصاق بالسطح يساعد في إتمام هاتين الوظيفتين. تتشكل مصفوفة البلاستيك بالقرب من الخلايا، مما يسمح للبكتيريا بامتصاصها قبل أن تطفو بعيدًا أو تحتلها جيرانها.

قبل دخول المضادات الحيوية إلى الخلايا، تكون قد تم تعطيلها بالفعل.

أشار ليرنر إلى أن العلماء يشعرون بالحيرة من الانتشار الواسع لجينات مقاومة المضادات الحيوية في بيئة البلاستيك. تشير هذه الاكتشافات إلى أن الكائنات الحية هنا قد تطورت لتكون لها وظائف مزدوجة، مما يمنحها ميزة مزدوجة. من الممكن أيضًا أن بعض هذه الإنزيمات مخصصة الآن لتحلل البلاستيك، بينما تكون نشاطات β-lactamase بقايا من عملية تطورها.

قال شلايخك إنه من المشجع أن البكتيريا تبدو قادرة على التكيف مع البلاستيك البوليستر بشكل أسرع مما كان متوقعًا، وأن الناس بحاجة إلى التعاون مع قدرات الميكروبات. في الحالة المثالية، يعني ذلك استخدام البوليمرات ذات نقاط الانكسار البيوكيميائية، مثل الروابط الاسترية في LCAP، لمعالجة البلاستيك الذي يهرب من إعادة التدوير وينتهي به المطاف في البيئة.

إمكانات وتحديات تكيف البكتيريا مع البلاستيك

تكشف هذه الدراسة عن قدرة تكيف البكتيريا مع البلاستيك البوليستر، مما يظهر إمكانيات الميكروبات في تحلل البلاستيك. مع تفاقم مشكلة تلوث البلاستيك، أصبح من الضروري البحث عن طرق فعالة للتحلل. تتحدى اكتشافات فريق البحث المفاهيم التقليدية، مما يشير إلى أن البكتيريا لا تستطيع فقط إطلاق الإنزيمات، بل يمكنها أيضًا التغلغل مباشرة في البلاستيك، مما قد يوفر أفكارًا جديدة لتقنيات صديقة للبيئة في المستقبل. علاوة على ذلك، قد تساعد الوظائف المزدوجة للبكتيريا في تفسير وجود جينات مقاومة المضادات الحيوية، مما يبرز الدور المهم للميكروبات في النظم البيئية.