https://bodybydarwin.com
Slider Image

Forskere gjør fremskritt med bedre plastspisende bakterier

2020

Molekylærbiolog Christopher Johnson holdt på å feste på festen for ikke lenge siden og snakket med en annen gjest om forskningen hans, slik forskere ofte gjør. Johnson jobber med å bryte ned plast, som har en tendens til å være svært motstandsdyktig mot slike ting.

Kvinnen han snakket med på dette spesielle før-bryllupet soiree svarte at hun følte seg overveldet - håpløs - om hele situasjonen: hvordan vi ikke ser ut til å slutte å bruke plast, hvordan de publiserer deponier, hvordan mikropartiklene deres gjennomsyrer havene.

Overveldet Johnson tenkte. Håpløst .

"Jeg er en verden borte fra det perspektivet, " sier Johnson og husker sin reaksjon.

Det er fordi plast ikke bare skjer med Johnson. Han skjer med dem. Johnson er forsker ved National Renewable Energy Laboratory, og det siste året har han og kollegene laget et biologisk enzym som kan tygge effektivt gjennom kastet plast som de som lager vannflasker og såpebeholdere. Teamet er optimistisk for at de kan konstruere en verden der mennesker fortsetter å bruke dette overflødige materialet - uten å avvikle bokstavelig eller billedlig overveldet av det. I den verden, som en del av et bredere, robust resirkuleringssystem, vil mikroorganismer fordøye polymerer i sine kjemiske komponenter, slik at de kan gjøre overskudd som nye og bedre produkter.

For øyeblikket gjør ikke resirkulering faktisk plast til noe, kjemisk sett: Det sliper bare avfallet i mindre biter, som å makulere papir i strimler. Produsenter rekonstituerer deretter delene til plast av lavere kvalitet. I biobasert resirkulering, som de i feltet kaller det, gir plast-spisende organismer deg tilbake byggesteinene for å lage nye materialer og til slutt varer.

Spesielt Johnsons gruppe fanget publikums fantasi fordi oppdagelsen var tilfeldig og sørget for en flott historie. Skeptikere fryktet at innsatsen kan slå tilbake at useriøse GMO-chompers kan begynne å gnage av gale polymerer. Som instrumentbordet til bilen din. Mens du kjører. Det er en ekstremt ekstern mulighet, men ikke helt feil.

Alt det plastsøppel er tross alt i seg selv en utilsiktet konsekvens. Det syntetiske materialet begynte delvis som en erstatning for elfenben for å redde elefanter fra slakting. Men den innovasjonen brakte oss også dit vi er i dag: overveldet og håpløs. Mengden plast som mennesker produserer hvert år mer enn 300 million tonn veier omtrent fem ganger mer enn alle folk som er satt sammen.

Vi bruker de fleste av våre moderne polymerer bare en gang: i vannflasker, sjampoflasker, melkeflasker, fliseposer, dagligvareposer, kaffetraktere. Hvert år havner nesten 9 millioner tonn av kullet offshore. Du har sikkert hørt om Great Pacific Garbage Patch: et område i havets nordlige halvdel hvor virvlende strømmer samler alt det som nekter. Men visste du at i 2050 kunne havområdene sport mer plast enn fisk?

Sivilisasjonen er ikke en god jobb med å rydde opp etter seg selv, delvis, mener Johnson og teamet hans, fordi det aldri har vært et stort økonomisk insentiv til. Men hvis du kan ta de plastiske byggesteinene og sette dem sammen til noe mer verdifullt enn det originale slik som bildeler, vindturbiner eller til og med surfebrett du kan endre resirkulering s kalkyle. Bedrifter kan gjøre det bra for seg selv ved å gjøre godt for verden.

Mye av utilsiktet enzymteam jobber ved National Renewable Energy Lab i Golden, Colorado. Campus nikker mot foten av Rocky Mountains, som skråner raskt opp fra intet til 14 000 fot topper. Solcellepaneler opptar takene i nesten alle bygningene. Inne i feltforsøkslaboratoriets bygning, der gruppen jobber, løper et ROYGBIV-spekter av bruksrør langs tak og vegger. Laboratorier fulle av kjøleskap, rugemaskiner og høydrevne mikroskoper nynner bak inngangsveier til korttilgang. Og i et lite møterom i første etasje, en matrise av skjermer baklys fire forskere.

De sammen med kolleger i Florida, England og Brasil danner et slags drømmeteam for akkurat denne biobaserte resirkuleringsforskningen: Nicholas Rorrer lager polymerer. Gregg Beckham prøver å finne ut hvordan bakterie- og soppkjemikalier bryter ned forbindelser som cellulose, hovedingrediensen i plantecellevegger og mange grønnsaker. Bryon Donohoe studerer hvordan celler med enzymer som spiser polymere fungerer. Johnson konstruerer nye typer celler som utskiller disse enzymene. Disse kompetanseområdene er hver nøkkel til å utforske hvordan bakterier gir en lyst på plast - og hvordan de kan manipulere dem til å bli bedre snacks.

På en av skjermene bak dem skater et enzym langs et nærbilde av cellulose, tygger av seg individuelle tråder og spytter dem ut igjen som sukkerblokker - den ultimate gjennomgang av matopplevelsen. Denne simuleringen, sier forskerne, er på samme måte som en polymer møter sin match.

Mannskapet fikk først vite om konseptet da utgaven i mars 2016 av Science magazine brakte nyheter om at forskere i Japan hadde oppdaget en underlig bakterieart i jordprøver i nærheten av et flaskegjenvinningsanlegg i Sakai. Det kan chompe gjennom polyetylentereftalat, ofte kjent som PET, som produsentene bruker mye for å lage plastflasker og containere. Et team ledet av Kenji Miyamoto, en biovitenskapsmann ved Keio University, fant ut at organismen sprutet ut et enzym, som de kalte PETase, som strippet polymeren i kjemiske biter. De kalte denne fantastiske organismen Ideonella sakaiensis etter dens hjemby. Fortsatt for ikke å spre Ideonella, men det fungerte ikke raskt nok: Gitt seks uker og tropiske vikarer kunne den spise gjennom en film av PET. Ikke akkurat de tingene med effektive gjenvinningsanlegg. I tillegg, for å få den til å vokse, krevde du forsiktig pleie og fôring.

Rett etter at tidsskriftartikkelen ble publisert, befant Beckham seg i England, og hadde en øl med University of Portsmouths John McGeehan, en kollega i celluloseforskning og en ekspert på å kartlegge strukturen til ørsmå enzymer. De begynte å brainstorme hvordan man kombinerer krefter for bedre å forstå hvordan PETase fordøyer PET. Tross alt så arbeidet deres allerede på hvordan det naturlige degraderer det naturlige - for eksempel hvordan bakterier og sopp bruker enzymer for å fordøye cellulose. Kanskje det arbeidet kan hjelpe dem til å forstå hvordan det naturlige bryter det syntetiske.

Etter sin ide i brainstorming, rekrutterte de to Johnson, Donohoe og Rorrer, samt en annen kollega i Florida, Lee Woodcock, hvis sofistikerte datamodeller simulerer hvordan cellulære kjemikalier fungerer. Deretter kom de i gang.

Først trengte teamet å forstå hvordan PETase bryter ned den valgte plasten. Molekylene i en polymer er som tilkoblede Lego-klosser som bare kan trekke fra hverandre. For PET er PETase avtrekkeren. Men for å forstå hvordan PETase kunne ta tak i og dreie plastens molekyler, trengte teamet nok av enzymet til å kunne kartlegge det.

Det var der Johnsons cellulære ekspertise kom inn. I samarbeid med et eksternt selskap syntetiserte de genet som produserer PETase, slik at det senere kunne gli inn i E. coli, en encellet organisme som er rask og enkel å dyrke på et laboratorium. Han sendte den genetiske koden over dammen til McGeehans laboratorium. Der hadde den mutante matforgifteren noe grub og begynte å pumpe ut PETase.

McGeehan ledet PETase-enzymet til et anlegg med et superkraftig røntgenmikroskop som bruker lys som er 10 milliarder ganger sterkere enn solen for å undersøke prøver og lage bilder i atomskala. Inne i det eksotiske mikroskopet ledet superkjølte magneter røntgenstrålene til forskerne kunne se PETase selv - og ikke bare dets goo-effekter.

Enzymet, for det utrente øyet, ligner kjærlighetsbarnet til en havsvamp og en menneskelig hjerne. Eller, hvis du er en veldig heldig biolog, ser den nesten nøyaktig ut som kutinase, puller for cutin, en voksaktig polymer som belegger mange planter. Cutinase har en smal U-formet grop som hakker inn i cutin bare så. PETase har samme U, bare bredere, slags som en kutinase i et morsomt speil. PETase U hakker inn i PET, som de to sidene av et BFF-kjede.

Dette var en tankefri Beckham-tanke den gangen: Enzymet, begrunnet han, utviklet seg til å spise kutin, og hadde tydeligvis tilpasset seg i nærvær av så mye søppel å få en ny favorittmat.

Formen, funksjonen og evolusjonsidéen i hånden, teamet leverte papiret sitt for publisering i oktober 2017. Men opprinnelseshistorien - deres mest elskede del - var problematisk. "En av anmelderne våre sa: 'Nei, du må vise det, '" husker Beckham.

Dette kommer til å være en drittaktivitet han forestilte seg. Det virket så åpenbart at kutinase hadde Darwined veien inn i PETase. Men for å vise hvordan det hadde skjedd, måtte de avvikle den evolusjonære klokken og krympe den brede PETase U tilbake til en liten kuttinase U, og i prosessen tenkte de, noe som gjorde at den ikke kunne, eller i det minste mindre i stand, til å tygge plast. Så ville de snu kurs, snu kutinasen tilbake til PETase, og vise hvordan den ene ble den andre.

Beckham måtte spise (og fordøye) disse ordene.

---

Teamet begynte første halvdel av eksperimentet med å gjøre PETase tilbake til kutinase, i slutten av 2017. Først justerte de DNAet som lager enzymet PETase. Spesielt muterte de to aminosyrer slik at erstatningene deres klemte seg til en U, og skapte et enzym som var nærmere kutinase. For hans del begynte Rorrer - polymeren - å høste flasker fra kolleger, inkludert personalets favoritter som Diet Pepsi og Diet Dr. Pepper. (I dag er avfallet fortsatt på toppen av avlukket hans.) Han brukte en standard kontorhullprikker for å snuppe ut sirkler. Deretter plasserte han de i nære kvartaler med versjoner av det modifiserte enzymet, og regnet med at han ville komme tilbake for å finne det med minimale fremskritt, om noen.

Men det er ikke det som skjedde. Da Rorrer kom tilbake fire dager senere, fant han at det hacket enzymet ikke bare fungerte, men det spiste omtrent 30 prosent mer enn PETase fra Sakai gjenvinningsanlegg. Teammedlemmene begynte å tvile på seg selv. Kanskje jeg merket feil prøvene Rorrer trodde. Donohoe, spesialist på cellefordeling, mistenkte at de hadde blandet sammen prøvene. De gjentok eksperimentet to ganger til, men fortsatte å få samme resultat: Det nye enzymet hadde god appetitt. Donohoe husker at jeg er, 'Jeg antar at vi må tro det, selv om jeg ikke vet hvordan jeg skal gjøre det.' "

Resultatet lot fortsatt være åpent om PETase hadde forandret seg fra kutinase i oh, selvfølgelig . Men det uventede resultatet er fortsatt gode nyheter: Det betyr at de kan forbedre den evolusjonen allerede har utført. Natur har ikke t nødvendigvis funnet den endelige løsningen, sier Beckham, kjemikalieingeniøren.

Da de kunngjorde funnet i april 2018, festet folk seg til dets oppsikt. John McGeehan fikk en Goop-pris fra Gwyneth Paltrow s kjente merkevare for pseudovitenskap. Han prøvde å avvise det, men det er ingen som avviser Gwyneth Paltrow. Men for denne gruppen var det ikke nok å være berømt. Og å forbedre PETase litt var ikke t heller. Det er sannsynligvis rom her for å gjøre det til et pokker for mye bedre, sier Beckham.

Ideonella sakaiensis viser seg, er langt fra den eneste organismen som kan bruke plastavfall som drivstoff. "Bakterier utvikler seg sannsynligvis bare for å spise ting rundt seg, sier genetisk ingeniør Johnson. Biologer har visst i flere tiår at eksisterende enzymer, som såkalte esteraser som mikrober og sopp spytter ut, kan bryte ned PET og nylon.

Plast som flyter i Zurich-sjøen har fire organismer som er grunnet til å spise polyuretan. I havet har etterforskere i India oppdaget bakteriearter som kan ødelegge polyvinylalkohol, som vanner papir. En annen gruppe fant en sopp hvis kutinase også knasker PET. Ingen av disse kan imidlertid festes raskt nok i målestokk til å være nyttige for industrien yet. Med mer enn 300 millioner tonn plast produsert hvert år, ville organismer trenge å rive gjennom rundt 906.000 tonn på alle dagene som slutter i y for å få jobben gjort. Det tar fire dager å løse overflaten på en Diet Dr Pepper-flaske er ikke raskt nok.

I sitt eget søk etter bedre polymere etere, rekrutterte drømmeteamet nylig nye spillere fra Montana State University som studerer ekstremofiler som koker i de fargede bassengene i Yellowstone. Selfie- snapende turister kaster mye søppel i de varme kildene. Ved temperaturer som disse Noen ganger mer enn 400 degrees plast smelter.

For en bakterie er det å ta overopphetet søppel som å ta fart: Alt skjer mye raskere. Hvis forskerne kan finne en ekstremofil, eller ingeniør, som liker det varmt og spiser PET, så er de ett skritt nærmere en prosess som fungerer raskt nok til å være nyttig i den virkelige verden.

I det scenariet vil et fremtidig resirkuleringsanlegg varme opp eller terne opp plasten, deretter kaste det i en stor gryte med varmt vann og strø inn litt PETase (eller annet sultent enzym). Det ville produsert en suppe med polysyllabiske ingredienser: tereftalsyre og etylenglykol, det som selskapene kan spinne til sterkere polymerer med høyere verdi.

Først trenger de imidlertid et bedre enzym. "Livet vil finne en måte Beckham sier, smilende mens han parafraserer Jurassic Park . Likevel kan naturen bruke en assist. Så teamet starter med å utnytte evolusjonens hemmelighet: tilfeldig mutasjon. Noen ganger gjør ny genetisk kode organismen bedre egnet for omgivelsene, og Mikroben lever for å gi den vilje til avkommet. I laboratoriet kan vi imidlertid få fart på evolusjonen ved å si å mate bare de vilde plast-spiserne PET. Hvis de ikke setter seg til middag, sulter de.

Teamet prøver også å skape nytt liv ved å injisere PETase-genet i bakterier som er mindre kresen enn Ideonella . Beckham drar opp et upublisert papir og blar til før-og-etter-bilder. Etter fire dager i et reagensglass med en ny mutant, er litt hullstemplet det han kaller "en soppig blanding av dritt. Skit her, er tygget opp plastdeler.

Innsatsen fungerer med andre ord. Mens Beckham ser på bildene sine, ler han og husker en kobling folk sendte ham da lagets første papir kom ut. Det pekte på en bok fra 1971 som heter Mutant 59: The Plastic-Eaters . I historien tar et polymeroppløsende virus over — drepe romfartøyer, krasjer fly, synker ubåter og forårsaker generelt ukontrollerbart kaos da det ødelegger tilsynelatende all plast i verden.

Ikke-fiksjonelle forskere planlegger at deres konstruerte organismer skal bo i laboratoriet, i rør og til slutt i industrielle prosesser. Slike organismer kan til og med allerede eksistere på utsiden, etter å ha utviklet seg den gammeldagse måten. Husk at verden har bakterier som spiser mange andre ting vi elsker: metall, brød, ost, vår egen hud. Og vi er alle fremdeles her, napper brød og ost, sitter på metallstoler. Gitt et åttelangt forsprang, har ikke mikroberne klart å ta over. Så med mindre naturen blir bemerkelsesverdig bedre bemerkelsesverdig fort (det tok noe sånt som 50 år å gjøre den ineffektive versjonen av PETase), eller en useriøs skuespiller innleder et kupp, vil ingen bitty beest sluse Walmart-kajakken din snart.

Beckham gir mer tro til en bekymring for at karbon, spyttet ut under fordøyelsen, til slutt blir karbondioksid, en klimagass som bidrar til klimaendringer. Men ethvert tilskudd ville bli dverget av gasser fra andre næringer. Hans gruppe ønsker verken en biovarmet verden eller en uten plast.

I stedet tar de sikte på å skape et reelt økonomisk insentiv for å gjenvinne de fleste polymerer. Akkurat nå er det som kommer ut av resirkuleringsslutt bare PET med svakere bindinger: Det er utfordrende å lage en annen flaske ut av den, og den er verdt rundt 75 prosent av hva den originale plasten var. Det går i tekstiler eller tepper. De havner vanligvis på søppelfyllinger.

Biologisk nedbryting av plast produserer imidlertid komponenter som kan bli forløpere for kostbare materialer som Kevlar, som selger to eller tre ganger så mye som resirkulert PET og går inn i stressresistente produkter som snowboards. Disse materialene gir selskapene en kontantbasert grunn til å gjenvinne plast. Innovatører kan til og med bruke dem til å bygge flytere fly, mer effektive biler og hardføre, lette ting vi ikke har tenkt på ennå. Ting som kanskje gjør for å redusere klimagassutslipp.

Denne verden vil ikke eksistere i morgen, eller neste år. Men det er en overskuelig fremtid, syntetisert gjennom drømmelagets mikrober, eller andres, og uansett hva naturen bringer til polymer-piknikbordet. Hvis de lykkes, kan vi sameksistere med plast, ikke på toppen av en haug av dem.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert sommeren 2019 Make It Last utgave av Popular Science.

Kontaktlinser hører ikke hjemme på toalettet ditt

Kontaktlinser hører ikke hjemme på toalettet ditt

DJIs første STEM-leketøy er en tank som lærer koding

DJIs første STEM-leketøy er en tank som lærer koding

Californias skogforvaltning er ikke problemet

Californias skogforvaltning er ikke problemet