పరిశోధకులు ప్లాస్టిక్‌ను జీర్ణం చేసే ఉత్పరివర్తన ఎంజైమ్‌ను సృష్టిస్తారు
ఇద్దరు బ్రెజిలియన్‌లను కలిగి ఉన్న అంతర్జాతీయ శాస్త్రవేత్తల సమూహం యొక్క ఆవిష్కరణ, పదార్థం వల్ల కలిగే కాలుష్యాన్ని తగ్గించడంలో సహాయపడుతుంది
యూనివర్శిటీ ఆఫ్ కాంపినాస్ (యునికాంప్) నుండి ఇద్దరు బ్రెజిలియన్లు పాల్గొనే అంతర్జాతీయ శాస్త్రవేత్తల బృందం, పాలిథిలిన్ టెరెఫ్తాలేట్, PET ప్లాస్టిక్‌ను తినే సామర్థ్యం ఉన్న ఎంజైమ్ అయిన PETase పనితీరును మెరుగుపరిచింది. 2016లో కొత్త జాతి బ్యాక్టీరియాలో PETase కనుగొనబడిన తర్వాత, పరిశోధకుల బృందం ఎంజైమ్ యొక్క నిర్మాణాన్ని పొందేందుకు మరియు అది ఎలా పనిచేస్తుందో అర్థం చేసుకోవడానికి పనిచేసింది. ఈ ప్రక్రియలో, ప్రమాదవశాత్తూ, వారు PET పట్ల మరింత ఎక్కువ అనుబంధాన్ని కలిగి ఉన్న ఎంజైమ్ యొక్క మ్యుటేషన్‌ను సృష్టించడం ముగించారు - అంటే, ప్లాస్టిక్‌ను అధోకరణం చేసే అధిక సంభావ్యత.
ఈ పని ఆచరణాత్మక ఉపయోగం కోసం అపారమైన సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంది, ఎందుకంటే ప్రతి సంవత్సరం 4.8 మరియు 12.7 మిలియన్ టన్నుల ప్లాస్టిక్ మహాసముద్రాలలోకి విడుదల చేయబడుతుందని అంచనా వేయబడింది - ఈ సంఖ్య మాత్రమే పెరిగే అవకాశం ఉంది. గ్రహం మీద అత్యంత రిమోట్ బీచ్‌లలో కూడా పేరుకుపోయే ప్లాస్టిక్‌లు, క్షీణతకు వాటి నిరోధకత కారణంగా ఖచ్చితంగా ఉపయోగించబడతాయి, ఇది పర్యావరణానికి అత్యంత ప్రమాదకరం. విస్మరించినప్పుడు, ఉదాహరణకు, PET బాటిల్ 800 సంవత్సరాల పాటు వాతావరణంలో ఉంటుంది - మైక్రోప్లాస్టిక్‌ల యొక్క పెరుగుతున్న మరియు భయంకరమైన సమస్యతో పాటు.
- ఆహార గొలుసుపై ప్లాస్టిక్ వ్యర్థాల పర్యావరణ ప్రభావాన్ని అర్థం చేసుకోండి
- మహాసముద్రాలను కలుషితం చేసే ప్లాస్టిక్ మూలం ఏమిటి?
వీటన్నింటితో, పాలిథిలిన్ టెరెఫ్తాలేట్‌ను జీర్ణం చేయగల ఎంజైమ్‌ను కనుగొనడం వల్ల కలిగే గొప్ప ఆసక్తిని అర్థం చేసుకోవడం సులభం. PETase అని పిలువబడే ఈ ఎంజైమ్ ఇప్పుడు ప్లాస్టిక్‌ను క్షీణింపజేసే సామర్థ్యాన్ని పెంచుకుంది. లో ప్రచురించబడిన ఒక కథనంలో కొత్తదనం వివరించబడింది యునైటెడ్ స్టేట్స్ ఆఫ్ అమెరికా యొక్క నేషనల్ అకాడమీ ఆఫ్ సైన్సెస్ యొక్క ప్రొసీడింగ్స్ (PNAS).
యునైటెడ్ కింగ్‌డమ్ (పోర్ట్స్‌మౌత్ విశ్వవిద్యాలయం) మరియు యునైటెడ్ స్టేట్స్ (నేషనల్ రెన్యూవబుల్ ఎనర్జీ లాబొరేటరీ) పరిశోధకుల సహకారంతో స్టేట్ యూనివర్శిటీ ఆఫ్ కాంపినాస్ (IQ-Unicamp)లోని ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ కెమిస్ట్రీ నుండి ఇద్దరు పరిశోధకులు పరిశోధనలో పాల్గొన్నారు. వారు పోస్ట్‌డాక్టోరల్ విద్యార్థి రోడ్రిగో లియాండ్రో సిల్వీరా మరియు అతని సూపర్‌వైజర్, యూనిక్యాంప్ మునిర్ సలోమావో స్కాఫ్‌లో హెడ్ ప్రొఫెసర్ మరియు రీసెర్చ్ డీన్.
“ప్రధానంగా పానీయాల సీసాల తయారీలో ఉపయోగించబడుతుంది, పాలిథిలిన్ టెరెఫ్తాలేట్ బట్టలు, రగ్గులు మరియు ఇతర వస్తువుల తయారీలో కూడా విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది. మా పరిశోధనలో, ఈ ప్లాస్టిక్‌ను జీర్ణం చేయగల ఎంజైమ్ యొక్క త్రిమితీయ నిర్మాణాన్ని మేము వర్గీకరించాము, మేము దానిని ఇంజనీరింగ్ చేసాము, దాని క్షీణత శక్తిని పెంచాము మరియు ఇది పాలిథిలిన్-2,5-ఫ్యూరానెడికార్బాక్సిలేట్ (PEF)లో కూడా చురుకుగా ఉందని మేము నిరూపించాము. పునరుత్పాదక ముడి పదార్థాల నుండి తయారు చేయబడిన PETకి ప్రత్యామ్నాయం" అని సిల్వీరా Agência FAPESPకి చెప్పారు.
2016లో షోసుకే యోషిడా నేతృత్వంలోని జపనీస్ పరిశోధకుల బృందం కొత్త జాతి బాక్టీరియాను గుర్తించినప్పుడు PETase పట్ల ఆసక్తి ఏర్పడింది. ఇడియోనెల్లా సకైయెన్సిస్, పాలిథిలిన్ టెరెఫ్తాలేట్‌ను కార్బన్ మరియు ఎనర్జీకి మూలంగా ఉపయోగించగలగడం – మరో మాటలో చెప్పాలంటే, PETని ఫీడ్ చేయగలదు. ఇప్పటి వరకు, ఈ సామర్ధ్యం కలిగిన ఏకైక జీవి ఇది. ఇది అక్షరాలా PETలో పెరుగుతుంది.
"గుర్తించడంతో పాటు ఇడియోనెల్లా సకైయెన్సిస్, ఇది పర్యావరణంలోకి స్రవించే రెండు ఎంజైమ్‌లను ఉత్పత్తి చేస్తుందని జపనీయులు కనుగొన్నారు. స్రవించే ఎంజైమ్‌లలో ఒకటి ఖచ్చితంగా PETase. ఇది నిర్దిష్ట స్థాయి స్ఫటికతను కలిగి ఉన్నందున, PET అనేది పాలిమర్, ఇది క్షీణించడం చాలా కష్టం. నిర్దిష్ట గట్టిగా ప్యాక్ చేయబడిన పాలిమర్‌లు క్షీణతను నిరోధించే ఆస్తికి పేరు పెట్టడానికి మేము సాంకేతికంగా 'రీకాల్‌సిట్రాన్స్' అనే పదాన్ని ఉపయోగిస్తాము. అందులో పీఈటీ ఒకటి. కానీ PETase దానిపై దాడి చేసి చిన్న యూనిట్‌లుగా విభజిస్తుంది - మోనో(2-హైడ్రాక్సీథైల్) టెరెఫ్తాలిక్ యాసిడ్ (MHET). MHET యూనిట్లు టెరెఫ్తాలిక్ యాసిడ్‌గా మార్చబడతాయి [రెండవ ఎంజైమ్ ద్వారా] మరియు బ్యాక్టీరియా ద్వారా గ్రహించబడతాయి మరియు జీవక్రియ చేయబడతాయి" అని సిల్వీరా చెప్పారు.
అన్ని తెలిసిన జీవులు మనుగడ కోసం జీవఅణువులను ఉపయోగిస్తాయి. ఇడియోనెల్లా సకైయెన్సిస్ తప్ప మిగతావన్నీ మానవులచే తయారు చేయబడిన సింథటిక్ అణువును ఉపయోగించగలవు. అంటే ఈ బాక్టీరియం గత కొన్ని దశాబ్దాలుగా జరిగిన ఇటీవలి పరిణామ ప్రక్రియ యొక్క ఫలితం. ఇది 1940ల ప్రారంభంలో అభివృద్ధి చేయబడిన పాలిమర్‌కు అనుగుణంగా నిర్వహించగలిగింది మరియు 1970లలో పారిశ్రామిక స్థాయిలో ఉపయోగించడం ప్రారంభించబడింది. దాని కోసం, PETase కీలక భాగం.
"PETase కష్టతరమైన భాగాన్ని చేస్తుంది, ఇది స్ఫటికాకార నిర్మాణాన్ని విచ్ఛిన్నం చేస్తుంది మరియు PETని MHETగా డిపోలిమరైజ్ చేస్తుంది. MHETని టెరెఫ్తాలిక్ యాసిడ్‌గా మార్చే రెండవ ఎంజైమ్ యొక్క పని ఇప్పటికే చాలా సరళమైనది, ఎందుకంటే దాని ఉపరితలం మోనోమర్‌లచే ఏర్పడుతుంది, ఎంజైమ్ సులభంగా యాక్సెస్ చేయగలదు ఎందుకంటే అవి ప్రతిచర్య మాధ్యమంలో చెదరగొట్టబడతాయి. అందువల్ల, అధ్యయనాలు PETase పై దృష్టి సారించాయి" అని సిల్వీరా వివరించారు.
తదుపరి దశ PETaseని వివరంగా అధ్యయనం చేయడం మరియు ఇది కొత్త పరిశోధన యొక్క సహకారం. "ఇతర ఎంజైమ్‌లు చాలా సమర్ధవంతంగా చేయలేని పనిని PETaseకి ఏమి అందించిందో తెలుసుకోవడం మా దృష్టి. దాని కోసం, ఈ ప్రోటీన్ యొక్క త్రిమితీయ నిర్మాణాన్ని పొందడం మొదటి దశ" అని ఆయన చెప్పారు.
"త్రిమితీయ నిర్మాణాన్ని పొందడం అంటే స్థూల కణాన్ని తయారు చేసే వేలాది అణువులలో ప్రతి x, y మరియు z కోఆర్డినేట్‌లను కనుగొనడం. మా బ్రిటిష్ సహచరులు ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ అనే ప్రసిద్ధ మరియు విస్తృతంగా ఉపయోగించే సాంకేతికతను ఉపయోగించి ఈ పనిని చేసారు, ”అని ఆయన వివరించారు.
సవరించిన ఎంజైమ్ పాలిమర్‌తో మెరుగ్గా బంధిస్తుంది
త్రిమితీయ నిర్మాణాన్ని పొందిన తర్వాత, పరిశోధకులు PETaseని సంబంధిత ప్రోటీన్‌లతో పోల్చడం ప్రారంభించారు. థెర్మోబిఫిడా ఫుస్కా అనే బాక్టీరియం నుండి వచ్చిన క్యూటినేస్, ఇది మొక్కల ఆకులను కప్పి ఉంచే ఒక రకమైన సహజమైన వార్నిష్ అయిన కుటిన్‌ను క్షీణింపజేస్తుంది. కొన్ని వ్యాధికారక సూక్ష్మజీవులు క్యూటిన్ అవరోధాన్ని విచ్ఛిన్నం చేయడానికి మరియు ఆకులలో ఉండే పోషకాలను సముచితం చేయడానికి కటినేస్‌లను ఉపయోగిస్తాయి.
చిత్రం: PETase నిర్మాణం, నీలం రంగులో, PET చైన్ (పసుపు రంగులో) దాని సక్రియ సైట్‌కు జోడించబడి, అక్కడ అది అధోకరణం చెందుతుంది. ప్రెస్ రిలీజ్/రోడ్రిగో లియాండ్రో సిల్వీరా.
"రసాయన ప్రతిచర్యలు జరిగే ఎంజైమ్ ప్రాంతంలో, 'యాక్టివ్ సైట్' అని పిలవబడే, PETase కుటినేస్‌కు సంబంధించి కొన్ని తేడాలు ఉన్నాయని మేము కనుగొన్నాము. ఇది మరింత ఓపెన్ యాక్టివ్ సైట్‌ను కలిగి ఉంది. కంప్యూటర్ అనుకరణల ద్వారా - మరియు ఇది నేను ఎక్కువగా సహకరించిన భాగం - మేము ఎంజైమ్ యొక్క పరమాణు కదలికలను అధ్యయనం చేయగలిగాము. ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ ద్వారా పొందిన స్ఫటికాకార నిర్మాణం స్థిరమైన సమాచారాన్ని అందిస్తుంది, అనుకరణలు డైనమిక్ సమాచారాన్ని కలిగి ఉండటం మరియు PET క్షీణత ప్రక్రియలో ప్రతి అమైనో ఆమ్లం యొక్క నిర్దిష్ట పాత్రను కనుగొనడం సాధ్యపడుతుంది" అని IQ-Unicamp పరిశోధకుడు వివరించారు.
అణువుల చలన భౌతికశాస్త్రం భారీ అణువులు మరియు ఉష్ణోగ్రత యొక్క ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్ ఆకర్షణలు మరియు వికర్షణల ఫలితంగా ఏర్పడుతుంది. కంప్యూటర్ అనుకరణలు PETase PETతో ఎలా బంధిస్తుంది మరియు సంకర్షణ చెందుతుందో బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి మాకు అనుమతినిచ్చాయి.
"యాక్టివ్ సైట్‌లో PETase మరియు cutinase రెండు వేర్వేరు అమైనో ఆమ్లాలను కలిగి ఉన్నాయని మేము కనుగొన్నాము. మాలిక్యులర్ బయాలజీ విధానాలను ఉపయోగించి, మేము దానిని క్యూటినేస్‌గా మార్చే లక్ష్యంతో PETaseలో ఉత్పరివర్తనాలను ఉత్పత్తి చేస్తాము", సిల్వీరా చెప్పారు.
"మేము దీన్ని చేయగలిగితే, PETase ఎందుకు PETase అని మేము చూపుతాము, అంటే, PETని దిగజార్చడానికి ఏ భాగాలు అటువంటి విచిత్రమైన లక్షణాన్ని ఇస్తాయో మాకు తెలుస్తుంది. కానీ మా ఆశ్చర్యానికి, PETase యొక్క విచిత్రమైన కార్యాచరణను అణచివేయడానికి ప్రయత్నించడం ద్వారా, అంటే, PETaseని క్యూటినేస్‌గా మార్చడానికి ప్రయత్నించడం ద్వారా, మేము మరింత క్రియాశీల PETaseని ఉత్పత్తి చేస్తాము. మేము కార్యాచరణను తగ్గించాలని చూస్తున్నాము మరియు బదులుగా, మేము దానిని పెంచాము", అని అతను చెప్పాడు.
అసలు PETase కంటే ఉత్పరివర్తన చెందిన PETase ఎందుకు మెరుగ్గా ఉందో అర్థం చేసుకోవడానికి దీనికి మరిన్ని గణన అధ్యయనాలు అవసరం. మోడలింగ్ మరియు అనుకరణలతో, PETaseలో ఉత్పత్తి చేయబడిన మార్పులు ఎంజైమ్‌ను సబ్‌స్ట్రేట్‌తో కలపడానికి అనుకూలంగా ఉన్నాయని చూడటం సాధ్యమైంది.
సవరించిన ఎంజైమ్ పాలిమర్‌తో మెరుగ్గా బంధిస్తుంది. ఈ కలపడం రేఖాగణిత కారకాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది, అంటే రెండు అణువుల మధ్య సరిపోయే "కీ మరియు లాక్" రకం. కానీ థర్మోడైనమిక్ కారకాలు, అంటే ఎంజైమ్ మరియు పాలిమర్ యొక్క వివిధ భాగాల మధ్య పరస్పర చర్యలు. దీనిని వివరించడానికి సొగసైన మార్గం ఏమిటంటే, సవరించిన PETase సబ్‌స్ట్రేట్‌కి "ఎక్కువ అనుబంధాన్ని" కలిగి ఉందని చెప్పడం.
భవిష్యత్ ఆచరణాత్మక అప్లికేషన్ పరంగా, టన్నుల కొద్దీ ప్లాస్టిక్ వ్యర్థాలను దిగజార్చగల ఒక పదార్ధాన్ని పొందడం, అధ్యయనం భారీ విజయాన్ని సాధించింది. కానీ PETaseని PETaseగా మార్చడం ఏమిటి అనే ప్రశ్నకు సమాధానం లేదు.
“క్యూటినేస్‌లో అమినో యాసిడ్‌లు ఏ మరియు బి ఉన్నాయి. PETase అమైనో ఆమ్లాలు x మరియు y కలిగి ఉంటుంది. a మరియు b కోసం x మరియు y లను మార్పిడి చేయడం ద్వారా, మేము PETaseని క్యూటినేస్‌గా మార్చగలమని మేము ఊహించాము. బదులుగా, మేము మెరుగైన PETaseని ఉత్పత్తి చేస్తాము. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, రెండు ఎంజైమ్‌ల యొక్క అవకలన ప్రవర్తనకు రెండు అమైనో ఆమ్లాలు వివరణ కాదు. ఇది మరొక విషయం, ”సిల్వీరా అన్నారు.
కొనసాగుతున్న పరిణామం
క్యూటినేస్ ఒక పురాతన ఎంజైమ్, అయితే PETase ఒక ఆధునిక ఎంజైమ్, ఇది సాధ్యమయ్యే పరిణామ పీడనం ఫలితంగా ఇడియోనెల్లా సకైయెన్సిస్ కార్బన్ మరియు శక్తి యొక్క మూలంగా మాత్రమే లేదా ప్రధానంగా పాలిథిలిన్ టెరెఫ్తాలేట్ కలిగి ఉన్న వాతావరణానికి అనుగుణంగా.
ఈ పాలిమర్‌ను ఉపయోగించలేని అనేక బ్యాక్టీరియాలలో, కొన్ని మ్యుటేషన్‌లు అలా చేయగలిగిన జాతిని సృష్టించాయి. ఈ బాక్టీరియం పునరుత్పత్తి చేయడం ప్రారంభించింది మరియు ఇతర వాటి కంటే చాలా ఎక్కువగా పెరుగుతుంది, ఎందుకంటే దానికి తగినంత ఆహారం ఉంది. దాంతో ఆమె అభివృద్ధి చెందింది. కనీసం అది ప్రామాణిక పరిణామ సిద్ధాంతం ద్వారా అందించబడిన వివరణ.
"ఒక చిన్న మార్పు చేయడం ద్వారా మనకు మంచి ఎంజైమ్ లభించిందనే వాస్తవం ఈ పరిణామం ఇంకా పూర్తి కాలేదని గట్టిగా సూచిస్తుంది. మరింత సమర్థవంతమైన ఎంజైమ్‌లను పొందాలనే ఉద్దేశ్యంతో, అర్థం చేసుకోవడానికి మరియు అన్వేషించడానికి ఇంకా కొత్త పరిణామ అవకాశాలు ఉన్నాయి. మెరుగైన PETase రహదారి ముగింపు కాదు. ఇది ప్రారంభం మాత్రమే” అని సిల్వీరా అన్నారు.
అప్లికేషన్ దృష్టితో, తదుపరి దశ ప్రయోగశాల నుండి పారిశ్రామిక స్థాయికి మారడం. దీని కోసం, రియాక్టర్ ఇంజనీరింగ్, ప్రాసెస్ ఆప్టిమైజేషన్ మరియు ఖర్చు తగ్గింపుకు సంబంధించిన ఇతర అధ్యయనాలు అవసరం.
