ทีมวิจัยจากเยอรมนีค้นพบเอนไซม์แบคทีเรียชนิดใหม่ที่สามารถย่อยสลายพลาสติกพอลิเอสเตอร์และเพนิซิลลิน

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยคอนสแตนซ์ได้ค้นพบเอนไซม์แบคทีเรียชนิดใหม่ที่สามารถย่อยสลายพลาสติกพอลิเอสเตอร์บางชนิดและพลาสติกชีวภาพ รวมถึงสามารถตัดเพนิซิลลินได้ การค้นพบนี้แสดงให้เห็นว่าไมโครไบโอต่างๆ อาจปรับตัวเข้ากับพลาสติกได้เร็วกว่าที่นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ไว้ การศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร ISME Journal เอนไซม์นี้ตั้งอยู่ที่ด้านนอกของเซลล์แบคทีเรีย มีจุดที่มีความกว้างผิดปกติ นักจุลชีววิทยา Harry Lerner และ David Schleheck ได้เรียกมันว่า "เอนไซม์กินถั่ว" Lerner เป็นผู้เขียนหลักของการศึกษาในขณะที่เขาเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยนี้

ความสำคัญของการค้นพบนี้อยู่ที่ว่า พลาสติกสังเคราะห์ส่วนใหญ่มีอัตราการย่อยสลายที่ช้ามาก ทำให้ขยะส่วนใหญ่แตกตัวเป็นไมโครพลาสติกและนาโนพลาสติก การย่อยสลายของโพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) อาจใช้เวลาหลายร้อยถึงหลายพันปี ไมโครไบโอตจะอาศัยอยู่ในขยะพลาสติก สร้างที่อยู่อาศัยที่นักวิจัยเรียกว่า "พลาสติกสเฟียร์" (plastisphere) แต่โดยทั่วไปแล้วพวกมันไม่สามารถใช้พลาสติกส่วนใหญ่เป็นอาหารได้

แบคทีเรียย่อยสลายพลาสติกชีวภาพอย่างไร

ในระยะเวลา 1 ปีในดินป่า Lerner และ Schleheck ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านนิเวศวิทยาไมโครไบโอต ได้ศึกษาว่าไมโครไบโอตสามารถย่อยสลายพลาสติกชีวภาพได้อย่างสมบูรณ์อย่างไร โดยใช้ฟิล์มพอลิเอสเตอร์สายยาว (LCAP) ที่พัฒนาขึ้นโดยทีมของนักเคมี Stefan Mecking พวกเขาได้ฝังฟิล์มลงไปประมาณ 10 เซนติเมตรในชั้นดินของป่า และในห้องปฏิบัติการได้ผสมผงพลาสติกชีวภาพกับดินเดียวกัน เพื่อติดตามการหายใจของไมโครไบโอตที่ผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นระยะเวลาหนึ่งปี พลาสติกชีวภาพทั้งหมดที่ทดสอบ รวมถึง LCAP, PHBV และ PCL ได้ถูกย่อยสลายอย่างสมบูรณ์ภายในประมาณ 250 ถึง 330 วัน

เซลลูโลสถูกย่อยสลายภายในประมาณ 80 วัน ในขณะที่ HDPE แทบจะไม่มีการย่อยสลาย

ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของฟิล์ม LCAP ที่ถูกฝังแสดงให้เห็นรูขนาดไมครอน โดยแต่ละรูมีขนาดและรูปร่างตรงกับเซลล์แบคทีเรียแต่ละเซลล์ ทีมวิจัยตั้งสมมติฐานว่าแบคทีเรียที่มีเอนไซม์ย่อยสลายพลาสติกติดอยู่สามารถเข้าถึงฟิล์มได้ผ่านกระบวนการย่อยอาหาร ซึ่งท้าทายสมมติฐานที่ว่าแบคทีเรียเพียงแค่ปล่อยเอนไซม์เหล่านี้ออกสู่สิ่งแวดล้อมรอบข้าง

ยีนและฟังก์ชันคู่ของเอนไซม์

นักวิจัยได้ค้นหาดีเอ็นเอในดินและพบยีนที่มีความเข้มข้นสูงในดินที่มีเพียง LCAP ยีนนี้เข้ารหัสเอนไซม์เอสเทอรีสที่มีสัญญาณการหลั่งและการยึดติดของลิพิด ซึ่งช่วยให้มันยึดติดอยู่ที่ผิวเซลล์ โครงสร้างของมันยังคล้ายกับ β-lactamase ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่สามารถตัด β-lactam ring ในยาปฏิชีวนะเช่นเพนิซิลลิน ในห้องปฏิบัติการ ทีมได้แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์นี้สามารถย่อยสลายพอลิเอสเตอร์ให้เป็นโมโนเมอร์ผ่านกระบวนการไฮโดรไลซิส และในขณะเดียวกันก็สามารถตัดเพนิซิลลินได้ Schleheck อธิบายว่า การยึดติดที่ผิวช่วยให้สามารถทำงานทั้งสองอย่างได้ เอนไซม์จะสร้างพลาสติกที่อยู่ใกล้เซลล์ ซึ่งแบคทีเรียสามารถดูดซับได้ก่อนที่มันจะลอยออกไปหรือถูกเพื่อนบ้านแย่งชิง

ก่อนที่ยาปฏิชีวนะจะเข้าสู่เซลล์ มันจะถูกทำให้ไม่มีฤทธิ์แล้ว

Lerner กล่าวว่า นักวิทยาศาสตร์รู้สึกสับสนเกี่ยวกับการมีอยู่ของยีนต้านทานยาปฏิชีวนะในพลาสติกสเฟียร์ การค้นพบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าไมโครไบโอตในที่นี้อาจพัฒนาฟังก์ชันคู่ ซึ่งให้ข้อได้เปรียบสองประการ นอกจากนี้ ยังเป็นไปได้ว่าบางเอนไซม์เหล่านี้ในปัจจุบันถูกใช้เฉพาะในการย่อยสลายพลาสติก ในขณะที่กิจกรรมของ β-lactamase เป็นเพียงการตกค้างจากกระบวนการวิวัฒนาการของมัน

Schleheck กล่าวว่ามันน่าพอใจที่แบคทีเรียดูเหมือนจะสามารถปรับตัวเข้ากับพลาสติกพอลิเอสเตอร์ได้เร็วกว่าที่คาดไว้ และผู้คนจำเป็นต้องทำงานร่วมกับความสามารถของไมโครไบโอต โดยในอุดมคติแล้วหมายถึงการใช้พอลิเมอร์ที่มีจุดแตกทางชีวเคมี เช่น เอสเทอร์ใน LCAP เพื่อจัดการกับพลาสติกที่หลบหนีการรีไซเคิลและในที่สุดก็เข้าสู่สิ่งแวดล้อม

ศักยภาพและความท้าทายในการปรับตัวของแบคทีเรียต่อพลาสติก

การศึกษานี้เปิดเผยถึงความสามารถในการปรับตัวของแบคทีเรียต่อพลาสติกพอลิเอสเตอร์ แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของไมโครไบโอตในการย่อยสลายพลาสติก ขณะที่ปัญหามลพิษจากพลาสติกมีความรุนแรงมากขึ้น การค้นหาวิธีการย่อยสลายที่มีประสิทธิภาพจึงเป็นสิ่งสำคัญ การค้นพบของทีมวิจัยท้าทายแนวคิดแบบดั้งเดิม โดยแสดงให้เห็นว่าแบคทีเรียไม่เพียงแต่สามารถปล่อยเอนไซม์ได้ แต่ยังสามารถเข้าถึงพลาสติกได้โดยตรง ซึ่งอาจนำไปสู่แนวทางใหม่ในการพัฒนาเทคโนโลยีที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ ฟังก์ชันคู่ของแบคทีเรียอาจช่วยอธิบายการมีอยู่ของยีนต้านทานยาปฏิชีวนะ และเน้นย้ำถึงบทบาทที่สำคัญของไมโครไบโอตในระบบนิเวศ