Yeni Tasarlanan Enzim Plastik Malzemeleri Hammaddelerine Ayırabilir
Plastik malzemeler, onları modern toplumların armatürleri haline getiren birçok özelliğe sahiptir. İstediğimiz herhangi bir şekle sokulabilirler. Sert ama esnektirler. Kimyayı farklı ihtiyaçlara uyacak şekilde ayarlayabileceğimiz yeterli varyasyonlarda bulunurlar. Sorun şu ki, kendi başlarına yıkılmayacak kadar sertler ve onları yakmak nispeten verimsiz. Sonuç olarak, çevremizde hem dökme plastikler hem de görünüşte her yerde bulunan mikroplastik atık olarak toplandılar.
Doğal malzemeler için, mikroplar enerji veya faydalı kimyasallar elde etmek için onları sindirmenin yollarını geliştirdiklerinden onlar bir sorun değildir. Ancak birçok plastik sadece onlarca yıldır var. Şimdi onları sindirmek için enzimleri geliştiren organizmalar görüyoruz. Fransa’daki araştırmacılar, en yaygın plastik formlarından birini etkili bir şekilde parçalayabilen bir enzim tasarladılar. Bu reaksiyonun nihai sonucu, yeni plastik şişeler yapmak için doğrudan tekrar kullanılabilen bir hammaddedir.
İstenmeyen Bir Plastik
Söz konusu plastik, polietilen tereftalat veya PET’dir. PET, çok yüksek gerilme mukavemetine sahip ince filmler (mylar olarak pazarlanmaktadır) dahil olmak üzere çeşitli kullanımlara sahiptir. Ancak en dikkat çekici kullanımı, çevresel plastik atıkların önemli bir bileşeni olan plastik içecek şişelerindekidir. PET ilk olarak 1940’larda geliştirildi. PET’te karbonu parçalayıp kullanabilen ilk canlı organizma 2016 yılında açıklandı. Doğal olarak bir plastik geri dönüşüm tesisinin yakınında çökelti içinde bulundu.
Bunun gibi mikroplar plastik atık sorununu çözebilirken, PET’in karbon omurgası tamamen parçalandığı için plastikleri daha kullanılabilir hale getirmezler. Bu, PET kapları bozuldukça değiştirmek için sürekli olarak yeni malzeme tedarik etmemiz gerektiği anlamına geliyor. Plastik, şu anda petrokimyasallardan geliyor. Fransız ekibi, mevcut malzemenin yeni PET ürünleri yapmak için hemen yeniden kullanılmasına izin verecek şekilde parçalandığı dairesel bir PET süreci oluşturmakla ilgileniyordu.
PET, oksijen ve karbon atomları ile bağlanmış uzun bir karbon halka koleksiyonudur. Geri dönüşüme izin verecek şekilde parçalanma yöntemi için, bu karbon-oksijen bağlantıları kırılmamış, daha sonra yeniden bağlanabilecek geniş bir halka koleksiyonu kalmalıdır. Şu anda PET’i sindiren mikroplar da bu halkayı parçalarlar. Dolayısıyla geri dönüşüm için uygun değildir.
Ancak PET’teki bağlantıları kırabilecek bir dizi enzim zaten tanımlanmıştır. Bunların hepsi yaprakların yüzeylerinde “kütin” olarak adlandırılan mumsu kaplamayı parçalama işlevi görür. Bunlar, yeni çalışma için başlangıç materyalleri sağlamıştır. Başlangıç olarak, araştırmacılar bir kütinaz paneli aldılar ve PET’i parçalama faaliyetlerini test ettiler. En yüksek aktiviteye sahip olan, orijinal olarak nerede bulunduğunu belirten bir isme sahip olduğu ortaya çıktı: bir kompost yığını içinde.(“yaprak dalı kompost cutinase” olarak adlandırılır).
Plastik: Ben Eriyorum
Araştırmacıların sonraki adımlarını anlamak için PET’in kendisi hakkında biraz anlamamız gerekiyor. PET’in tüm versiyonları aynı kimyasal formüle sahip olsa da, malzeme iki şekilde katılaşabilir: sıkıca paketlenmiş bir kristal form ve daha gevşek, düzensiz bir form. PET’ten yapılan malzemelerin çoğu, oranların üreticilerin malzemenin özelliklerini ayarlamasına izin verebileceğinden, bu iki formdan farklı miktarlara sahiptir. Bununla birlikte, kristalin formun sıkı bir şekilde paketlenmesi, en verimli enzimin bile sindirilmesini zorlaştırmaktadır. Neyse ki, kısmi bir çözüm var: herhangi bir PET formunun ısıtılması, kristalin PET’in bir kısmının düzensiz bir forma erimesine ve daha fazla sindirilmesine izin verir.
Ne yazık ki, enzimlerin kendileri sıklıkla eridiği ve ilgili sıcaklıklarda (65 ° C veya 150 ° F) etkisiz hale geldiği için maalesef bir sorun oluşur. Ek olarak, bu enzimler farklı bir polimeri parçalamak için evrimleşti ve bitkilerin yapraklarındaki herhangi bir şeyden kimyasal olarak farklı olan PET üzerinde de çalışması beklenmeyecekti. Bunlar araştırmacıların karşılaştığı iki büyük engeldi.
Engelleri Nasıl Aştılar ?
Enzimin PET’te daha iyi çalışmasını sağlamak için araştırmacılar kütinaz yapısına baktılar. PET’in enzimle nerede etkileşime gireceğini bulmak için kimyasal simülasyonlar yaptılar. PET’in kesileceği yeri içeren enzim yüzeyinde bir oluğa oturduğunu buldular. PET’in bu oluğa uyumunu iyileştirmek için araştırmacılar, farklı kombinasyonlarda oluğun içindeki her bir amino asidi değiştiren geniş bir mutant versiyonları enzimi paneli oluşturdular. Bunların çoğu enzimin aktivitesini neredeyse tamamen ortadan kaldırırken, birkaçı onu gerçekten geliştirdi ve daha sonraki çalışmalar için kullanıldı.
İkinci sorun, enzimin yüksek sıcaklıklara dayanma kabiliyeti meselesiydi. Burada, ilgili enzimlerle yapılan çalışmalar bir ipucu verdi: çoğu, enzimin iki parçasını bir arada tutan bir metal iyonu ile etkileşime girerek stabilize edildi. Enzimin orijinal versiyonundan başlayarak, araştırmacılar bu iki parça arasında kimyasal bir bağ oluşturabilen iki amino asitle tasarlandı (biyokimyayı bilenler için bu bir disülfür köprüsü). Bu versiyon yüksek sıcaklıklarda orijinal versiyondan daha kararlıydı.
Tüm bu değişiklikleri birleştirerek, araştırmacılar daha sonra içecek şişelerini parçalayarak elde edilen PET üzerinde test ettikleri iki versiyon oluşturdular.
Oldukça Ucuz ve Etkisi Yüksek
Bu PET kaynağı göz önüne alındığında, orijinal enzim 20 saat içinde yaklaşık yarısını sindirebilir. Araştırmacıların en iyi değiştirilmiş versiyonunun yüzde 85’lik sindirimi bulması için sadece 15 saat gerekiyordu. Koşulları optimize ederek, 10 saatin altında PET’in yüzde 90’ını yıkmayı başardılar. Hala bir miktar kristal PET kalırken, 1.000 kg PET atıktan alabileceklerini ve aldıklarından 863kg hammadde üretebileceklerini keşfettiler. Farklı bir ifadeyle, yeniden tasarlanan enzimleri PET’i sindirmede sindirim enzimlerimizin nişastaları parçalamaktan daha etkilidir.
Daha sonra bu hammaddeyi standart endüstriyel reaksiyonlar kullanarak yeni PET ürünleri yapmak için kullandılar. Yeni ürünün basınca dayanma kabiliyeti, standart kimyasal kaynaklardan üretilen PET’in değerinden sadece yüzde 5 az idi. Görünüş açısından, PET’in yüzde 10’undan düzenli bir şekilde üretildi.
Petrokimyasal hammaddelere başlamakla karşılaştırıldığında geri dönüştürülmüş PET kullanmanın maliyeti nedir? Yazarlar, yaklaşık 25 dolara bir kilogram protein üretilebildiğini söylüyorlar. Bu fiyatı referans alarak işlem maliyetinin proteinin yaklaşık yüzde 4’ü olacağını tahmin ediyorlar. Bu, petrokimyasallar kadar ucuz olmasa da – özellikle şimdi petrol fiyatları çöktükten sonra – gelecekteki fiyat şoklarına nispeten iyi gelecek ve çok daha kullanılabilir olacak.
