https://bodybydarwin.com
Slider Image

Els científics estan fent progressos amb millors bacteris que consumeixen plàstic

2020

El biòleg molecular Christopher Johnson feia temps que es trobava en una festa i estava parlant amb un altre convidat sobre les seves investigacions, com solen fer els científics. Johnson treballa en la descomposició de plàstics, que solen ser altament resistents a aquestes coses.

La dona amb qui parlava en aquest particular viatge pre-casament va respondre que se sentia desbordada, desesperada, de tota la situació: com no podem semblar que deixem d’utilitzar plàstics, com s’amunteguen els abocadors, com les seves micropartícules permeen els oceans.

Va pensar el desbordat Johnson. Sense esperança

"Estic a un món lluny d'aquesta perspectiva", diu Johnson, tot recordant la seva reacció.

Això passa perquè Johnson no passa només els plàstics. Els està passant. Johnson és un investigador del National Renewable Energy Laboratory, i aquest darrer any, ell i els seus col·legues van crear un enzim biològic que pot mastegar de manera eficaç a través de plàstics desplegables com els que fan ampolles d’aigua i contenidors de sabó. L’equip és optimista que poden enginyar un món on els humans segueixen utilitzant aquest material sobreabundant, sense que s’acabi literalment ni figurativament. En aquest món, com a part d’un sistema de reciclatge més ampli i robust, els microorganismes digereran els polímers en els seus components químics perquè puguin obtenir un benefici com a productes nous i millors.

Actualment, el reciclatge no converteix el plàstic en res, químicament parlant: només tritura els residus en trossos més petits, com triturar el paper en tires. Els fabricants reconstitueixen aquestes peces en plàstic de menor qualitat. En el reciclatge basat en bio, com ho diuen els del camp, els organismes alimentaris amb plàstic et proporcionen els blocs de construcció per crear nous materials i, eventualment, béns.

En particular, el grup de Johnson va capturar la imaginació del públic perquè el seu descobriment va ser accidental i va ser una història fantàstica. Els escèptics temien que l'esforç pogués contrarestar els esforços possibles que podrien començar a picar els polímers equivocats. Com el tauler de control del cotxe. A mesura que conduïu És una possibilitat extremadament remota, però no del tot equivocada.

Tota aquesta brossa de plàstic, al cap i a la fi, és una conseqüència no desitjada. El material sintètic va començar, en part, com a substitut de l’ivori per salvar els elefants de la matança. Però aquesta innovació també ens va portar al lloc on som avui: desbordats i sense esperança. La quantitat de plàstic que produeixen els humans cada any més de 300 millons de tones pesa aproximadament cinc vegades la de totes les persones reunides.

Utilitzem la majoria dels nostres polímers moderns una vegada: en ampolles d’aigua, xampús, ampolles de llet, bosses de xips, bosses de queviures i agitadors de cafè. Cada any, prop de 9 milions de tones de brossa acaben fora del mar. Probablement heu sentit a parlar del Gran Patch Garbage Pacific: una zona de la meitat nord de l’oceà on hi ha corrents remolins que reuneixen tots els residus. Però, sabíeu que el 2050, l’alta mar podia practicar més plàstic que peix?

La civilització no està fent una gran tasca de neteja després d’ella mateixa, en part, Johnson i el seu equip creuen, perquè mai no hi ha hagut un gran al·licient econòmic. Però si podeu agafar aquells blocs de construcció de plàstic i muntar-los en alguna cosa més valuós que els originals com a peces d'automòbils, aerogeneradors o, fins i tot, taules de surf podreu canviar el càlcul de reciclatge . Les empreses es poden fer bé per elles mateixes fent un bé pel món.

Bona part de l'equip enzimàtic accidental treballa al National Renewable Energy Lab a Golden, Colorado. El campus es troba enfilat contra els contraforts de les Muntanyes Rocalloses, que s'enfilen ràpidament per no ser res en cims de 14.000 peus. Les plaques solars ocupen els sostres de gairebé tots els edificis. A l’interior de l’edifici del laboratori de proves de camp, on treballa el grup, hi ha un espectre ROYGBIV de canonades d’utilitat al llarg de sostres i parets. Els laboratoris plens de refrigeradors, incubadores i microscopis d'alta potència es posen al darrere de les entrades d'accés a la targeta. I, en una petita sala de reunions de la planta baixa, una matriu de pantalles il·lumina quatre científics.

Ells, juntament amb col·legues de Florida, Anglaterra i Brasil, formen una espècie d’equip de somni per a aquesta particular investigació en reciclatge basada en bio: Nicholas Rorrer crea polímers. Gregg Beckham intenta esbrinar com els productes químics bacterians i fúngics descomponen compostos com la cel·lulosa, l'ingredient principal de les parets cel·lulars vegetals i moltes verdures. Bryon Donohoe estudia el funcionament de les cèl·lules amb enzims que mengen polímers. Johnson enginya nous tipus de cèl·lules que segreguen aquests enzims. Les àrees d’expertesa són claus per explorar com els bacteris ofereixen gana de plàstic i com manipular-los perquè siguin millors entrepans.

En una de les pantalles que hi ha al darrere, un enzim patina al llarg d'un primer pla de cel·lulosa, arrencant filaments i escopint-los com a blocs de sucre, la màxima experiència alimentària. Diuen els científics aquesta simulació, de la mateixa manera que un polímer compleix la seva igualtat.

La tripulació es va assabentar per primera vegada del concepte quan el número de març de 2016 de la revista Science va fer notícies que els investigadors del Japó havien descobert una estranya espècie de bacteris en mostres de sòl prop d’una planta de reciclatge d’ampolles a la ciutat de Sakai. Podria produir-se a través del tereftalat de polietilè, conegut comunament com PET, que els fabricants utilitzen àmpliament per fabricar ampolles i envasos de plàstic. Un equip liderat per Kenji Miyamoto, un biocientífic de la Universitat de Keio, va trobar que l'organisme va agrupar un enzim, que van anomenar PETasa, que va despullar el polímer en peces químiques. Van anomenar aquest sorprenent organisme Ideonella sakaiensis després de la seva ciutat natal. Tot i així, per no dissoldre Ideonella, però no va funcionar prou ràpid: tenint en compte sis setmanes i temps tropicals, es podia menjar a través d'una pel·lícula de PET. No exactament coses de plantes de reciclatge eficients. A més, per aconseguir que creixi necessitava una cura i alimentació acurada.

Poc després que aparegués l’article de la revista, Beckham es va trobar a Anglaterra, prenent una cervesa amb John McGeehan de la Universitat de Portsmouth, un col·laborador en investigacions sobre cel·lulosa i expert en mapar les estructures d’enzims diminuts. Van començar a idear com combinar forces per entendre millor com la PETasa digereix el PET. Al cap i a la fi, el seu treball ja va veure com el natural degrada el natural, per exemple, com els bacteris i els fongs utilitzen enzims per digerir la cel·lulosa. Potser aquest treball els podria ajudar a comprendre com el natural descompon el sintètic.

Després de la seva pluja d'idees, els dos reclutats Johnson, Donohoe i Rorrer, així com un altre col·lega a Florida, Lee Woodcock, els sofisticats models informàtics simulen el funcionament dels productes químics cel·lulars. Després, van començar.

Primer, l’equip havia d’entendre com PETAS descompon el seu plàstic escollit. Les molècules d’un polímer són com uns maons de Lego connectats que només poden separar-se. Pel PET, la PETasa és l’element tirador. Però per entendre com la PETasa podia agafar i frenar les molècules del plàstic, l'equip necessitava prou quantitat de l'enzim per poder-lo mapejar.

És allà on va venir l’experiència cel·lular de Johnson. En treballar amb una empresa externa, van sintetitzar el gen que produeix PETasa, de manera que després es podia incloure a E. coli un organisme unicel·lular que és ràpid i fàcil de cultivar en un laboratori. Va enviar el codi genètic a través de l'estany al laboratori de McGeehan. Allà, l’enverinant alimentari mutant va tenir una mica d’esquerda i va començar a bombar petasa.

McGeehan va col·locar l’enzim PETasa fins a una instal·lació amb un microscopi de raigs X super-potent que utilitza una llum 10 mil milions de vegades més forta que el sol per sondar mostres i crear imatges a escala atòmica. A l'interior del microscopi exòtic, els imants supercoolats van guiar els raigs X fins que els científics van poder veure la PETasa en si mateixa, i no només els seus efectes de gota.

L’enzim, a l’ull no format, s’assembla al nen amor d’una esponja de mar i d’un cervell humà. O, si ets un biòleg de molta sort, s’assembla gairebé exactament a la cutinasa, l’atractiu per a la cutina, un polímer cerat que recobra moltes plantes. La cutinasa té una estreta fossa en forma d’U que s’enterra en cutines. PETasa té la mateixa U, més ampla, semblant a una cutinasa en un mirall de diversió. La PETase U s'introdueix en PET, com els dos costats d'un collaret BFF.

Aquest és un pensament que Beckham no va dir a l’època: l’enzim, va raonar, va evolucionar inicialment per menjar cutines i, clarament, s’havia adaptat en presència de tanta brossa per tenir un nou menjar favorit.

La forma, la funció i la idea evolutiva en mà, l'equip va enviar la seva ponència per a la seva publicació l'octubre del 2017. Però la història d'origen -la seva part més estimada- era problemàtica. "Un dels nostres crítics va dir:" No, ho has de demostrar ", recorda Beckham.

Aquesta serà una activitat de merda que imaginava. Semblava tan obvi que la cutinasa s'havia endinsat en la PETasa. Però, per demostrar com havia passat això, haurien de retrocedir el rellotge evolutiu, reduint l’ample PETase U de nou a una cutinasa U i, en el procés, van pensar, fent-la incapaç, o almenys menys capaç, de mastegar. plàstic. Després invertirien el curs, convertint la cutinasa de nou en PETasa, mostrant com es convertia en l’altra.

Beckham hauria de menjar (i digerir) aquestes paraules.

———

L’equip va començar la primera meitat de l’experiment convertint la PETasa en cutinasa, a finals del 2017. Primer, van ajustar l’ADN que fa l’enzim PETasa. Concretament, van mutar dos aminoàcids de manera que els seus reemplaçaments es van enganxar en un U, creant un enzim que estava més a prop de la cutinasa. Per la seva banda, Rorrer –el tipus polímer– va començar a collir ampolles de companys, inclosos els preferits del personal com Diet Pepsi i Diet Dr Pepper. (Avui, el rebuig continua alineant la part superior del seu cubell.) Va utilitzar un punxonador forat per a l'oficina per esborrar cercles. A continuació, va col·locar els propers quarts amb versions de l'enzim modificat, esperant que tornés a trobar-lo fent progressos mínims, si n'hi havia.

Però això no va passar. Quan Rorrer va tornar quatre dies després, va trobar que l’enzim piratejat no només funcionava, sinó que menjava un 30 per cent més que la PETasa de la planta de reciclatge Sakai. Els membres de l’equip van començar a dubtar de si mateixos. Potser he equivocat les mostres que pensava Rorrer. Donohoe, l’especialista en desglossament de cèl·lules, va sospitar que havia barrejat les mostres. Van repetir l’experiment dues vegades més però van aconseguir el mateix resultat: El nou enzim tenia una bona gana. Donohoe recorda que sóc així: "Suposo que hem de creure-ho, tot i que no sé".

El resultat encara es deixava obert si PETase havia desaparegut de la cutinasa a la oh, per descomptat de la manera en què l'equip havia sorgit. Però el resultat inesperat continua sent una bona notícia: vol dir que poden millorar el que l’evolució ja s’ha produït. "No hi ha necessàriament la naturalesa que ha trobat la solució definitiva", afirma Beckham, l'enginyer químic.

Quan van anunciar el descobriment a l’abril de 2018, la gent es va dedicar a la seva ocupació. John McGeehan va obtenir un premi Goop de la marca de benestar de pseudociencia de Gwyneth Paltrow . Va intentar rebutjar-ho, però no es rebutja Gwyneth Paltrow. Però per a aquest grup, ser famós no era suficient. I millorar una PETasa tampoc no era una mica. Hi ha probablement lloc aquí per fer-ho molt millor, afirma Beckham.

Ideonella sakaiensis resulta molt lluny de l’únic organisme que pot utilitzar com a combustible els residus plàstics. "Probablement, les bacteries evolucionen per menjar coses al seu voltant", diu l'enginyer genètic Johnson. Els biòlegs saben des de fa dècades que els enzims existents, com ara les esterases anomenades que els microbis i els fongs escupen, poden descompondre la PET i el niló.

Els plàstics que floten al llac de Zuric transporten quatre organismes preparats per menjar poliuretà. A l’oceà, investigadors a l’Índia han descobert espècies bacterianes que poden degradar l’alcohol polivinílic, que l’aigua demostra paper. Un altre grup va trobar un fong la cutinasa del qual també muntura PET. Cap d’aquests, però, pot celebrar-se prou ràpid a escala per ser útil per a la indústria . Amb més de 300 milions de tones de plàstic produïts cada any, els organismes haurien de disminuir al voltant de 906.000 tones tots els dies que acaben en y per aconseguir la feina. Tardar quatre dies en dissoldre la superfície d’una ampolla Diet Dr Pepper no és prou ràpida.

A la seva pròpia cerca de millors menjadors de polímer, l'equip somiat va reclutar recentment nous jugadors de la Universitat Estatal de Montana que estudien extremòfils bullint a les piscines de colors vius de Yellowstone. Selfie- Snap turistes llancen molta brossa a aquestes aigües termals. A temperatures com aquestes algunes vegades més de 400 degrees plàstic es fon.

Per a un bacteri, muntura de brossa sobrecalentada és com agafar velocitat: Tot passa molt més ràpid. Si els científics poden trobar un extremòfil, o un enginyer, que li agradi calent i mengi PET, aleshores són un pas més a prop d’un procés que funciona prou ràpid per ser útil al món real.

En aquest escenari, una futura planta de reciclatge escalfaria o desgastaria el plàstic, després el llençaria en una gran olla d’aigua calenta i s’espolvoraria amb alguna PETasa (o un altre enzim famolenc). Això produiria una sopa d’ingredients polisíl·labs: àcid tereftàlic i etilenglicol, cosa que les empreses poden convertir en polímers de valor més fort.

Primer, però, necessiten un millor enzim. "La vida trobarà una manera com diu Beckham, somrient mentre parafraseja Jurassic Park . Tot i així, la natura podria utilitzar una ajuda. Així, l'equip comença a explotar el secret de l'evolució: mutació aleatòria. De vegades, el nou codi genètic fa que l'organisme s'adapti millor al seu entorn i el microbi viu que passa aquesta ganes a la seva descendència, però, al laboratori, podem accelerar l’evolució, per exemple, alimentant els PET que no farien menjars de plàstic. Si no s’asseuen a sopar, morran de fam.

L’equip també està intentant crear una nova vida injectant el gen PETase a bacteris menys exigents que Ideonella . Beckham elabora un paper inèdit i es desplaça cap a les fotografies abans i després. Després de quatre dies en un tub d’assaig amb un nou mutant, una mica de plàstic forat al forat és el que ell anomena "una barreja esponjosa de merda. La merda aquí, és de peces de plàstic mastegat.

L’esforç, dit d’una altra manera, està treballant. Quan Beckham mira les seves imatges, riu i recorda un enllaç que la gent li va enviar quan va sortir el primer treball de l'equip. Apuntava a un llibre de 1971 anomenat Mutant 59: The Plastic-Eaters . A la història, un virus que es dissol en polímers es fa càrrec: matar naus espacials, estavellar avions, enfonsar submarins i provocar generalment un caos incontrolable ja que destrueix aparentment tot el plàstic del món.

Els investigadors no ficcionals planifiquen que els seus organismes desenvolupats es quedin al laboratori, en tubs i, eventualment, en processos industrials. Aquests organismes podrien existir fins i tot a l'exterior, després d'haver evolucionat de manera antiga. Recordeu que el món té bacteris que mengen moltes altres coses que ens agraden: metall, pa, formatge, la nostra pròpia pell. I encara estem aquí, mullant pa i formatge asseguts a les cadires de metall. Atès que es va començar la capçalera de l'eons, els microbis encara no han aconseguit fer-se càrrec. De manera que, a menys que la naturalesa es vegi notablement millor notablement ràpidament (necessiten 50 anys com a versió ineficient de PETase), o que un actor despullat faci un cop d'estat, no hi haurà bèsties tristes en el caiac de Walmart en qualsevol moment.

Beckham dóna més credibilitat a la preocupació que el carboni, escupit durant la digestió, es converteixi en diòxid de carboni, un gas d’efecte hivernacle que contribueix al canvi climàtic. No obstant això, qualsevol addició es veuria reduïda pels gasos d'altres indústries. El seu grup no vol ni un món biocalent ni un sense plàstic.

En canvi, pretenen crear un incentiu econòmic real per recuperar la majoria de polímers. Ara mateix, el que surt del final del reciclatge és només PET amb vincles més dèbils: és difícil fabricar una altra ampolla i val aproximadament el 75 per cent del que era el plàstic original. S'endinsa en tèxtils o catifes. Els que solen acabar-se als abocadors.

No obstant això, el plàstic biològicament produeix components que poden convertir-se en els precursors de materials de preu com Kevlar, que es ven dues o tres vegades més que PET reciclat i s’incorpora a productes resistents a les tensions com les taules de neu. Aquests materials donen a les empreses una raó basada en diners per reclamar plàstic. Els innovadors fins i tot podrien fer-los servir per construir avions voladors, cotxes més eficients i coses resistents i lleugeres que encara no hem pensat. Coses que potser fa la seva part per reduir les emissions de gasos d’efecte hivernacle.

Aquest món no existirà demà o l'any que ve. Però és un futur previsible, sintetitzat a través dels microbis de l’equip de somni o d’altres, i qualsevol cosa que aporti la naturalesa a la taula de pícnic del polímer. Si triomfen, podrem conviure amb plàstics, no al capdamunt.

Aquest article es va publicar originalment al número Make It Last of Summer Science de l’ article 2019 .

Aquesta setmana he trobat cinc productes de radi i aleatoris

Aquesta setmana he trobat cinc productes de radi i aleatoris

Les interfícies de cervell no són tan fàcils com ho fan semblar Elon Musk

Les interfícies de cervell no són tan fàcils com ho fan semblar Elon Musk

Les millors alternatives a les joguines més calentes del 2018

Les millors alternatives a les joguines més calentes del 2018