https://bodybydarwin.com
Slider Image

Tutkijat etenevät paremmin muovia syövien bakteerien suhteen

2020

Molekyylibiologi Christopher Johnson kävi koululla juhlissa viime aikoina puhumassa toisen vieraan kanssa tutkimuksestaan, kuten tutkijat usein tekevät. Johnson hajottaa muoveja, joilla on taipumus olla erittäin kestäviä sellaisille esineille.

Nainen, jonka kanssa hän puhui tässä erityisessä häitä edeltävässä seurassa, vastasi olevansa hukkuutunut - toivoton - koko tilanteesta: kuinka emme näytä lopettavan muovien käyttöä, kuinka he purkavat kaatopaikkoja, kuinka heidän mikropartikkelit tunkeutuvat valtamereihin.

Ylistynyt Johnson ajatteli. Toivoton .

"Olen maailma kaukana tästä näkökulmasta", Johnson sanoo muistaen reaktionsa.

Tämä johtuu siitä, että muoveja ei tapahdu vain Johnsonille. Hän tapahtuu heille. Johnson on tutkija kansallisessa uusiutuvan energian laboratoriossa, ja viime vuonna hän ja hänen kollegansa loivat biologisen entsyymin, joka voi pureskella tehokkaasti läpi heitettävien muovien, kuten ne, jotka valmistavat vesipulloja ja saippuanäiliöitä. Joukkue on optimistinen ja voi suunnitella maailman, jossa ihmiset käyttävät tätä ylenmääräistä materiaalia - ilman, että se kirjaimellisesti tai kuvanomaisesti hukkua. Siinä maailmassa osana laajempaa, vankkaa kierrätysjärjestelmää mikro-organismit sulavat polymeerit kemiallisiksi komponenteiksi, jotta ne voivat tuottaa voittoa uusina ja parempina tuotteina.

Tällä hetkellä kierrätys ei todellakaan muuta muovia millekään, kemiallisesti sanottuna: Se jauhaa jätteet vain pienemmiksi paloiksi, kuten paperin murskaamiseksi nauhoiksi. Valmistajat valmistavat sitten nämä kappaleet heikommanlaatuiseksi muoviksi. Bioperusteisessa kierrätyksessä, kuten kentän edustajat sitä kutsuvat, muovia syövät organismit antavat sinulle takaisin rakennuspalikoita uusien materiaalien ja lopulta tuotteiden tuottamiseksi.

Erityisesti Johnson-ryhmä vangitsi yleisön mielikuvituksen, koska sen löytö oli sattumanvaraista ja sai aikaan suurenmoisen tarinan. Skeptikot pelkäsivät, että ponnistelut voisivat estää tulen, että vilpilliset geneettisesti muunnetut organismit voivat alkaa vääristää polymeerejä. Kuten auton kojelauta. Kun ajat. Se on erittäin etäinen mahdollisuus, mutta ei täysin väärin.

Kaikenlainen muovinen roska on loppujen lopuksi itse tahaton seuraus. Synteettinen materiaali alkoi osittain norsunluun korvikkeena elefanttien pelastamiseksi teurastuksesta. Mutta tuo innovaatio vei meidät myös nykyiseen kohtaan: hukku ja toivoton. Muovin määrä, jonka ihmiset tuottavat vuosittain, yli 300 miljoonaa tonnia, on noin viisi kertaa suurempi kuin kaikkien ihmisten yhteenlaskettu määrä.

Käytämme suurimman osan nykyaikaisista polymeereistämme vain kerran: vesipulloissa, shampoopulloissa, maitopulloissa, sirupusseissa, ruokakauppapusseissa, kahvinsekoittimissa. Joka vuosi lähes 9 miljoonaa tonnia roskaa päätyy merelle. Olet todennäköisesti kuullut Suuresta Tyynenmeren roskapöydästä: valtameren pohjoisosassa sijaitsevasta alueesta, jossa pyörivät virtaukset yhdistävät kaiken kieltäytyvän. Mutta tiesitkö, että vuoteen 2050 mennessä avomerellä voisi urheilla muovia enemmän kuin kaloja?

Sivilisaatio ei tee hienoa työtä siivoamiseksi itseensä, osittain, Johnson ja hänen tiiminsä uskovat, koska siellä ei ole koskaan ollut suurta taloudellista kannustinta. Mutta jos voit ottaa nuo muoviset rakennuspalikat ja koota niistä jotain arvokkaampaa kuin alkuperäiset osat, kuten autoosat, tuulivoimalat tai jopa lainelaudat, voit muuttaa kierrätyslaskennan. Yritykset voivat menestyä itselleen tekemällä hyvää maailmalle.

Suuri osa vahingossa tapahtuvasta entsyymitiimistä työskentelee National Renewable Energy Lab -yrityksessä Goldenissa, Coloradossa. Kampus kamppailee Kalliovuorten juurella, joka nousee nopeasti tyhjyydestä 14 000-jalkaisiin huippuihin. Aurinkopaneelit vievät lähes kaikkien rakennusten katot. Kenttätestauslaboratorion rakennuksen sisällä, jossa ryhmä työskentelee, ROYGBIV-apulaiteputket kulkevat kattoja ja seiniä pitkin. Laboratoriot, jotka ovat täynnä jääkaappeja, inkubaattoreita ja suuritehoisia mikroskooppeja, hyppäävät kortin sisäänkäynnien takana. Ja pienessä pohjakerroksen kokoushuoneessa näyttömatriisin taustavalot neljä tutkijaa.

He muodostavat yhdessä kollegoiden kanssa Floridassa, Englannissa ja Brasiliassa eräänlaisen unelmatiimin tähän biopohjaiseen kierrätystutkimukseen: Nicholas Rorrer luo polymeerejä. Gregg Beckham yrittää selvittää, kuinka bakteeri- ja sienikemikaalit hajottavat yhdisteitä, kuten selluloosaa, kasvisolujen pääainesosaa ja monia vihanneksia. Bryon Donohoe tutkii, kuinka solut, joissa on polymeeriä syöviä entsyymejä, toimivat. Johnson suunnittelee uudenlaisia ​​soluja, jotka erittävät nuo entsyymit. Nämä osaamisalueet ovat kumpikin avain tutkittaessa, kuinka bakteerit nauttivat muovihaluista - ja miten manipuloida niitä paremmiksi välipalaksi.

Yhdellä näytön takana olevalla näytöllä entsyymi luistelee lähinnä selluloosaa, pureskelee yksittäiset säikeet ja sylkee ne takaisin sokerin lohkoina - lopullinen ajokokemus. Tämä simulointi, tutkijoiden mukaan, on sama tapa, jolla polymeeri täyttää ottelun.

Miehistö sai ensimmäisen kerran tietää konseptista, kun Science- lehden maaliskuun 2016 numero toi uutisia siitä, että Japanin tutkijat olivat löytäneet omituisia bakteereja näytteistä maaperästä Sakai-kaupungin pullonkierrätyslaitoksen lähellä. Se voi chomp polyeteenitereftalaatin, joka tunnetaan yleisesti nimellä PET, läpi, jota valmistajat käyttävät laajasti muovipullojen ja astioiden valmistukseen. Keion yliopiston biotieteilijän Kenji Miyamoton johtama ryhmä havaitsi, että organismi puristi entsyymin, jonka he kutsuttiin PETaasiksi, joka irrotti polymeerin kemiallisiksi paloiksi. He kutsuivat tätä hämmästyttävää organismia Ideonella sakaiensikseksi kotikaupunkinsa jälkeen. Edelleen, jotta Ideonellaa ei levitettäisiin, mutta se ei toiminut tarpeeksi nopeasti: Kuuden viikon ja trooppisten tempojen vuoksi se voisi syödä PET-kalvon läpi. Ei aivan tehokkaiden kierrätyslaitosten tavaraa. Lisäksi sen kasvaminen vaadittiin huolellista hoitoa ja ruokintaa.

Pian lehden artikkelin ilmestymisen jälkeen Beckham löysi itsensä Englannista oluttaan Portsmouthin yliopiston John McGeehanin kanssa, selluloosa-tutkimuksen kollegan ja pienten entsyymien rakenteiden kartoittamisen asiantuntijan kanssa. He alkoivat miettiä kuinka yhdistää voimat ymmärtää paremmin kuinka PETaasi pilkkoo PET: tä. Loppujen lopuksi heidän työssään tarkasteltiin jo sitä, kuinka luonnollinen hajottaa luonnollista - esimerkiksi kuinka bakteerit ja sienet käyttävät entsyymejä selluloosan sulamiseen. Ehkä tämä työ voisi auttaa heitä ymmärtämään, kuinka luonnollinen hajottaa synteettisen.

Aivoriihensä jälkeen kaksi rekrytoitua Johnson, Donohoe ja Rorrer sekä toinen floridalainen kollega Lee Woodcock, joiden hienostuneet tietokonemallit simuloivat solukemikaalien toimintaa. Sitten he aloittivat.

Ensinnäkin ryhmän oli ymmärrettävä, kuinka PETase hajottaa valitun muovin. Polymeerissä olevat molekyylit ovat kuin kytkettyjä Lego-tiiliä, jotka voivat vain vetää irti. PET: lle PETase on vetäjä. Mutta ymmärtääksesi kuinka PETaasi voisi tarttua muovimolekyyleihin ja vääntää sitä, joukkue tarvitsi tarpeeksi entsyymiä voidakseen kartoittaa sen.

Siellä tuli Johnsonin soluosaaminen. Yhteistyössä ulkopuolisen yrityksen kanssa he syntetisoivat geenin, joka tuottaa PETaasia, jotta se voitaisiin myöhemmin liu'uttaa E. coliin yksisoluiseen organismiin, jota on nopea ja helppo kasvattaa laboratoriossa. Hän lähetti geneettisen koodin lammen yli McGeehanin laboratorioon. Siellä mutantilla ruoka-myrkkyllä ​​oli hiukan rapeaa ja se alkoi pumppata PETaasia.

McGeehan valutti PETase-entsyymin laitteistoon, jolla on erittäin tehokas röntgenmikroskooppi, joka käyttää aurinkoa 10 miljardia kertaa voimakkaampaa valoa näytteiden koettimien määrittämiseen ja atomimittakaavan kuvien luomiseen. Eksoottisen mikroskoopin sisällä superjäähdytetyt magneetit ohjasivat röntgensäteitä, kunnes tutkijat näkivät itse PETaasin - eikä vain sen goo-tehosteita.

Entsyymi, kouluttamattomalle silmälle, muistuttaa merisieniä ja ihmisen aivoja rakastavaa lasta. Tai, jos olet erittäin onnekas biologi, se näyttää melkein täsmälleen kutinaasilta, cutinin vetolaitteelta, vahamainen polymeeri, joka peittää monia kasveja. Kutinaasilla on kapea U: n muotoinen kuoppa, joka lovii kutisteeksi juuri niin. PETaseessa on sama U, vain leveämpi, kuin kutinaasi huvipuiston peilissä. PETase U asettuu PET: hen, kuten BFF-kaulakorun molemmat puolet.

Beckham ajatteli tuolloin ajattelematonta mieltä: Hänen mukaansa entsyymi kehittyi alun perin syömään cutinia ja oli selvästi mukautunut niin paljon roskien läsnä ollessa saadakseen uuden suosikkiruoan.

Muoto, toiminta ja evoluutioidea kädessä, joukkue jätti paperin julkaisemiseen lokakuussa 2017. Mutta alkuperätarina - heidän rakkain osa - oli ongelmallinen. ”Yksi tarkastajistamme sanoi:” Ei, sinun on osoitettava se ”, Beckham muistelee.

Tämä tulee olemaan paskaa toimintaa, jonka hän kuvitti. Näytti niin itsestään selvältä, että kutinaasi oli tehnyt tiensä PETaasiksi. Mutta osoittaakseen kuinka näin oli tapahtunut, heidän piti kääntää evoluutiokello taaksepäin kutistamalla leveä PETaasi U takaisin pieneksi kutinaasi U: ksi, ja prosessin aikana he ajattelevat tekevän siitä kykenemättömän tai ainakin vähemmän kykenevän pureskella muovi. Sitten he kääntäisivät kurssin kääntämällä kutinaasi takaisin PETaasiksi osoittaen kuinka yhdestä tuli toinen.

Beckham joutuisi syömään (ja sulamaan) nuo sanat.

---

Ryhmä aloitti kokeen alkupuoliskon muuttamalla PETaasin takaisin kutinaasiksi vuoden 2017 lopulla. Ensin he virittivat DNA: n, joka tekee entsyymistä PETaasi. Tarkemmin sanottuna he mutatoivat kaksi aminohappoa, joten niiden korvaukset puristuivat U: hon, jolloin muodostui entsyymi, joka oli lähempänä kutinaasia. Rorrer - polymeerikaveri - alkoi puolestaan ​​kerätä pulloja kollegoilta, mukaan lukien henkilökunnan suosikit, kuten Diet Pepsi ja Diet Dr Pepper. (Nykyään jätteet silti linjaan mökin yläosaan.) Hän käytti vakiona toimistoreikien reikää piipittääkseen ympyrät. Sitten hän sijoitti heidät läheisiin tiloihin muunnellun entsyymin versioilla, odottaen, että hän palaa takaisin löytääkseen sen edistyvän minimaalisesti, jos sellaista on.

Mutta niin ei tapahtunut. Kun Rorrer palasi neljä päivää myöhemmin, hän huomasi hakkeroidun entsyymin paitsi toimivan myös syövän noin 30 prosenttia enemmän kuin Sakaiin kierrätyslaitoksen PETase. Joukkueen jäsenet alkoivat epäillä itseään. Ehkä kirjoitin väärin näytteitä, joita Rorrer ajatteli. Solujen hajoamisen asiantuntija Donohoe epäili, että he olivat sekoittaneet näytteet. He toistivat kokeen vielä kaksi kertaa, mutta saivat saman tuloksen: uudella entsyymillä oli hyvä ruokahalu. Donohoe muistelee, että olen kuin 'mielestäni meidän on uskottava siihen, vaikka en tiedä kuinka.' "

Tulos jäi silti avoimeksi siitä, oliko PETaasi morfoitunut kutinaasista ohissa, tietysti tavalla, jonka joukkue oli arvioinut. Mutta odottamaton tulos on edelleen hyvä uutinen: Se tarkoittaa, että he voivat parantaa sitä, mitä evoluutio on jo tehnyt. Luonto ei ole välttämättä löytänyt lopullista ratkaisua, kemian insinööri Beckham sanoo.

Kun he ilmoittivat löytöstä huhtikuussa 2018, ihmiset tarttuivat sen ooppeuteen. John McGeehan sai Goop-palkinnon Gwyneth Paltrowin pseudotiedehyvinvointibrändiltä. Hän yritti hylätä sen, mutta Gwyneth Paltrowia ei ole hylättävä. Mutta tälle ryhmälle kuuluisuus ei riittänyt. Ja PETaseen parantaminen hiukan ei myöskään ollut. Tässä on todennäköisesti tilaa, jotta siitä olisi paljon parempi, Beckham sanoo.

Ideonella sakaiensis osoittautuu kaukana ainoasta organismista, joka voi käyttää muovijätettä polttoaineena. "Bakteerit todennäköisesti kehittyvät vain syömään asioita ympäriinsä, geenisuunnittelija Johnson sanoo. Biologit ovat jo vuosikymmenien ajan tietäneet, että olemassa olevat entsyymit, kuten nk. Kutsutut esteraasit, jotka mikrobit ja sienet sylkevät, voivat hajottaa PET: n ja nylonin.

Zürich-järvessä kelluvissa muoveissa on neljä organismia, jotka on valmistettu syömään polyuretaania. Valtameressä Intian tutkijat ovat löytäneet bakteerilajeja, jotka voivat hajottaa polyvinyylialkoholia, joka vettä suojaa paperilla. Toinen ryhmä löysi sienen, jonka kutinaasi myös munastaa PET: tä. Mikään näistä ei kuitenkaan voi maistua riittävän nopeasti mittakaavassa ollakseen hyödyllinen teollisuudelle. Jos vuosittain tuotetaan yli 300 miljoonaa tonnia muovia, organismien tulisi käydä läpi noin 906 000 tonnia läpi päivien, jotka päättyvät työhön. Diet Dr Pepper -pullon liuottaminen neljään päivään ei ole tarpeeksi nopeaa.

Omien henkilöidensä etsiessä parempia polymeerinsyöjiä, unelmatiimi rekrytoi äskettäin uusia pelaajia Montanan osavaltion yliopistosta. He opiskelevat ekstremofiilejä, jotka kiehuvat Yellowstonen värikkäissä uima-altaissa. Älykäs turisti heittää paljon roskia noihin kuumiin lähteisiin. Näiden kaltaisissa lämpötiloissa on toisinaan yli 400 ° C: n lämpötila sulaa.

Bakteerille ylikuumennetun roskarin röyhtäily on kuin nopeuden ottaminen: Kaikki tapahtuu paljon nopeammin. Jos tutkijat löytävät ekstremofiilin tai insinöörin, joka pitää siitä kuumana ja syö PET: tä, he ovat askeleen lähemmäksi prosessia, joka toimii riittävän nopeasti, jotta siitä olisi hyötyä todellisessa maailmassa.

Tässä skenaariossa tulevaisuuden kierrätyslaitos lämmittäisi tai noppaa muovia, heittää sen sitten suureen pottiin kuumaa vettä ja ripottele jonkin verran PETaasia (tai muuta nälkäistä entsyymiä). Se tuottaa keittoa, joka koostuu monisäilyttävistä aineosista: tereftaalihaposta ja etyleeniglykolista, aineista, joita yritykset voivat kehittää vahvempiin, arvokkaampiin polymeereihin.

Ensinnäkin he kuitenkin tarvitsevat paremman entsyymin. "Elämä löytää tapaa, jolla Beckham sanoo hymyillen parafraasineen Jurassic Parkia . Silti luonto voisi käyttää apua. Joten ryhmä aloittaa hyödyntämällä evoluution salaisuutta: satunnaista mutaatiota. Joskus uusi geneettinen koodi tekee organismista paremmin sopivan ympäristöönsä, ja Mikrobi elää siirtämällä tämän armon jälkeläisilleen. Laboratoriossa voimme kuitenkin kiihdyttää evoluutiota esimerkiksi ruokkimalla vain mahdollisia muovisyöjiä - PET: tä. Jos he eivät istu päivälliselle, he nälkivät.

Ryhmä yrittää myös luoda uutta elämää injektoimalla PETase-geeniä bakteereihin, jotka ovat vähemmän nirsoita kuin Ideonella . Beckham vetää julkaisematta olevan paperin ylös ja vierittää ennen ja jälkeen kuvia. Neljän päivän kuluttua koeputkessa uuden mutantin kanssa, vähän reikäreikäistä muovia, mitä hän kutsuu "keittoiseksi sekoitukseksi paskaa. Crap tässä on pureskeltuja muoviosia.

Toisin sanoen yritys toimii. Kun Beckham katselee kuviaan, hän nauraa ja muistelee linkkiä, jonka ihmiset lähettivät hänelle, kun joukkueen ensimmäinen paperi ilmestyi. Se viittasi vuoden 1971 Mutant 59: The Plastic-Eaters -kirjaan. Tarinassa polymeeriä liuottava virus ottaa haltuunsa - tappaa avaruusalukset, kaataa lentokoneita, upottaa sukellusveneitä ja aiheuttaa yleensä hallitsematonta kaaosta, koska se tuhoaa näennäisesti kaiken maailman muovin.

Tietokirjatutkijat suunnittelevat suunniteltujen organismiensa pysyvän laboratoriossa, putkissa ja lopulta teollisissa prosesseissa. Tällaisia ​​organismeja saattaa olla jo olemassa ulkopuolellakin, koska ne ovat kehittyneet vanhanaikaiseksi. Muista, että maailmassa on bakteereja, jotka syövät paljon muita rakastamiamme asioita: metallia, leipää, juustoa, omaa ihoamme. Ja olemme kaikki vielä täällä, nauramassa leipää ja juustoa, istuen metallituoleilla. Eonien pituisen etumatkan takia mikrobit eivät ole vielä onnistuneet valtaamaan. Joten ellei luonto muutu huomattavasti paremmin huomattavasti nopeasti (PETaseen tehottoman version tekeminen kesti noin 50 vuotta) tai roistolainen näyttelijä järjesti vallankaappauksen, mikään tylsä ​​peto ei kypsytä Walmart-kajakkiasi milloin tahansa pian.

Beckham antaa enemmän tunnustusta huolenaiheelle, että sulamisen aikana sylkeneestä hiilestä tulee lopulta hiilidioksidi, kasvihuonekaasu, joka myötävaikuttaa ilmastonmuutokseen. Mutta muiden teollisuudenalojen kaasut hävittävät kaikki lisäykset. Hänen ryhmänsä ei halua biolämmitettyä maailmaa eikä sellaista, jossa ei olisi muoveja.

Sen sijaan niiden tavoitteena on luoda todellinen taloudellinen kannustin useimpien polymeerien talteenottamiseen. Tällä hetkellä kierrätyspää tulee ulos vain heikommilla sidoksilla varustetulla PET: On haastavaa tehdä siitä uusi pullo, ja sen arvo on noin 75 prosenttia alkuperäisestä muovista. Se menee tekstiileihin tai mattoihin. Ne lopetetaan yleensä kaatopaikoilla.

Muovin biologinen hajoaminen kuitenkin tuottaa komponentteja, joista voi tulla kalliiden materiaalien edeltäjiä, kuten Kevlar, joka myy kaksi tai kolme kertaa enemmän kuin kierrätettyä PET: tä ja menee stressitiivisiksi tuotteiksi kuten lumilaudat. Nämä materiaalit antavat yrityksille kassaperusteisen syyn takaisin muoviin. Innovaattorit saattavat jopa käyttää niitä rakentamaan lentokoneita, tehokkaampia autoja ja kestäviä, kevyitä tavaroita, joita emme ole vielä ajatelleet. Asiat, jotka ehkä tekevät osuutensa kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi.

Tätä maailmaa ei ole huomenna tai ensi vuonna. Mutta se on ennakoitavissa oleva tulevaisuus, joka syntetisoidaan unelmajoukkojen tai muiden mikrobien ja minkä tahansa luonnon tuodaan polymeeripiknikpöytään. Jos ne onnistuvat, pystymme toimimaan rinnakkain muovien kanssa, emmekä heitä kasan yläosassa.

Tämä artikkeli on alun perin julkaistu kesällä 2019 Make It Last -julkaisussa .

Applen uusi Face ID -järjestelmä käyttää tunnistusstrategiaa, joka juontaa juurensa vuosikymmenien ajan

Applen uusi Face ID -järjestelmä käyttää tunnistusstrategiaa, joka juontaa juurensa vuosikymmenien ajan

Sinun ei tarvitse poistaa Facebookia, mutta voit ehdottomasti käyttää sitä paremmin

Sinun ei tarvitse poistaa Facebookia, mutta voit ehdottomasti käyttää sitä paremmin

Kuinka vaihtaa puhelimia menettämättä mitään

Kuinka vaihtaa puhelimia menettämättä mitään