https://bodybydarwin.com
Slider Image

Wetenschappers boeken vooruitgang met betere plastic-etende bacteriën

2020

Moleculair bioloog Christopher Johnson zat nog niet zo lang geleden op een feestje te praten met een andere gast over zijn onderzoek, zoals wetenschappers vaak doen. Johnson werkt aan het afbreken van kunststoffen, die vaak zeer resistent zijn tegen dergelijke dingen.

De vrouw met wie hij sprak op deze speciale pre-wedding soiree antwoordde dat ze zich overweldigd voelde - hopeloos - over de hele situatie: hoe we niet kunnen stoppen met het gebruik van plastic, hoe ze stortplaatsen bevolken, hoe hun microdeeltjes de oceanen doordringen.

Overweldigde Johnson dacht. Hopeloos .

"Ik ben een wereld weg van dat perspectief, " zegt Johnson, herinnerend aan zijn reactie.

Dat komt omdat plastic niet alleen Johnson overkomt. Hij overkomt hen. Johnson is onderzoekswetenschapper bij het National Renewable Energy Laboratory, en afgelopen jaar creëerden hij en zijn collega's een biologisch enzym dat efficiënt kan kauwen door wegwerpplastics zoals flessen die waterflessen en zeepcontainers maken. Het team is optimistisch dat ze een wereld kunnen ontwerpen waarin mensen dit overvloedige materiaal blijven gebruiken - zonder er letterlijk of figuurlijk door te worden overweldigd. In die wereld, als onderdeel van een breder, robuust recyclingsysteem, zullen micro-organismen polymeren in hun chemische componenten verteren, zodat ze winst kunnen maken als nieuwe en betere producten.

Op dit moment verandert recycling eigenlijk niets in plastic, chemisch gezien: het vermaalt het afval gewoon in kleinere stukjes, zoals papiersnippers in reepjes. Fabrikanten reconstrueren die stukjes vervolgens in plastic van mindere kwaliteit. In biogebaseerde recycling, zoals die in het veld het noemen, geven plasticetende organismen je de bouwstenen terug om nieuwe materialen en, uiteindelijk, goederen te maken.

Vooral de groep van Johnson sprak tot de verbeelding van het publiek omdat de ontdekking toevallig was en zorgde voor een geweldig verhaal. Sceptici vreesden dat de inspanning een averechts effect zou kunnen hebben dat malafide GMO-chompers de verkeerde polymeren zouden kunnen opslokken. Zoals het dashboard van je auto. Terwijl u aan het rijden bent. Het is een uiterst afgelegen mogelijkheid maar niet volledig misleid.

Al dat plastic afval is immers zelf een onbedoeld gevolg. Het synthetische materiaal begon gedeeltelijk als vervanging voor ivoor om olifanten van de slacht te redden. Maar die innovatie heeft ons ook gebracht waar we nu zijn: overweldigd en hopeloos. De hoeveelheid plastic die mensen elk jaar produceren meer dan 300 miljoen ton weegt ongeveer vijf keer die van alle mensen bij elkaar.

We gebruiken de meeste van onze moderne polymeren slechts één keer: in waterflessen, shampooflessen, melkflessen, frietzakken, boodschappentassen, koffie roerstaafjes. Elk jaar belandt bijna 9 miljoen ton afval op zee. Je hebt waarschijnlijk gehoord van de Great Pacific Garbage Patch: een gebied in de noordelijke helft van de oceaan waar wervelende stromingen al dat afval verzamelen. Maar wist je dat in 2050 op volle zee meer plastic kan worden gebruikt dan vis?

Beschaving is niet goed bezig met het opruimen van zichzelf, deels, geloven Johnson en zijn team, omdat er nooit een grote economische stimulans voor is geweest. Maar als je die plastic bouwstenen kunt nemen en ze in iets waardevollers kunt samenstellen dan de iginal zoals auto-onderdelen, windturbines of zelfs surfplanken, kun je de calculus van recycling wijzigen. Bedrijven kunnen het goed doen voor zichzelf door goed te doen voor de wereld.

Veel van het toevallige enzymteam werkt in het National Renewable Energy Lab in Golden, Colorado. De campus duwt tegen de uitlopers van de Rocky Mountains, die snel vanuit het niets omhoog klimmen in pieken van 14.000 voet. Zonnepanelen bezetten de daken van bijna alle gebouwen. Binnen het Field Test Laboratory Building, waar de groep werkt, loopt een ROYGBIV-spectrum van utiliteitspijpen langs plafonds en muren. Labs vol koelkasten, incubators en krachtige microscopen neuriën achter kaarttoegangswegen. En in een kleine vergaderruimte op de begane grond verlicht een matrix van schermen vier wetenschappers.

Samen met collega's in Florida, Engeland en Brazilië vormen ze een soort droomteam voor dit specifieke onderzoek naar recycling op basis van bio: Nicholas Rorrer maakt polymeren. Gregg Beckham probeert erachter te komen hoe bacteriële en schimmelchemicaliën verbindingen zoals cellulose afbreken, het hoofdingrediënt in plantencelwanden en veel groenten. Bryon Donohoe onderzoekt hoe cellen met polymeer-etende enzymen werken. Johnson ontwikkelt nieuwe soorten cellen die die enzymen afscheiden. Die expertisegebieden zijn elk van cruciaal belang om te onderzoeken hoe bacteriën hun eetlust opwekken voor plastic - en hoe ze kunnen worden gemanipuleerd om betere snackers te worden.

Op een van de schermen achter hen schaatst een enzym langs een close-up van cellulose, kauwt individuele strengen af ​​en spuugt ze weer uit als blokken suiker - de ultieme drive-through eetervaring. Volgens de wetenschappers is deze simulatie op dezelfde manier als een polymeer zijn match ontmoet.

De bemanning hoorde voor het eerst van het concept toen het tijdschrift Science van maart 2016 het nieuws bracht dat onderzoekers in Japan een vreemde soort bacteriën hadden ontdekt in grondmonsters in de buurt van een flessenrecyclingfabriek in de stad Sakai. Het zou door polyethyleentereftalaat, algemeen bekend als PET, kunnen worden verwerkt, dat fabrikanten op grote schaal gebruiken om plastic flessen en containers te maken. Een team onder leiding van Kenji Miyamoto, een biowetenschapper aan de Keio University, ontdekte dat het organisme een enzym eruit spoot, dat zij PETase noemden, dat het polymeer in chemische stukjes strookte. Ze noemden dit geweldige organisme Ideonella sakaiensis naar zijn thuisstad. Toch, niet om Ideonella te diss , maar het werkte niet snel genoeg: gegeven zes weken en tropische temps, kon het door een film van PET eten. Niet bepaald de dingen van efficiënte recyclinginstallaties. Bovendien vereiste het voorzichtig groeien en voeden.

Kort nadat het tijdschriftartikel verscheen, bevond Beckham zich in Engeland, een biertje drinken met John McGeehan van de Universiteit van Portsmouth, een collega in celluloseonderzoek en een expert in het in kaart brengen van de structuren van kleine enzymen. Ze begonnen te brainstormen over het combineren van krachten om beter te begrijpen hoe PETase PET verteert. In hun werk werd immers al gekeken naar hoe het natuurlijke het natuurlijke afbreekt - bijvoorbeeld hoe bacteriën en schimmels enzymen gebruiken om cellulose te verteren. Misschien kan dat werk hen helpen begrijpen hoe het natuurlijke het synthetische afbreekt.

Na hun brainstormpint rekruteerden de twee Johnson, Donohoe en Rorrer, evenals een andere collega in Florida, Lee Woodcock, wiens geavanceerde computermodellen simuleren hoe cellulaire chemicaliën werken. Toen begonnen ze.

Eerst moest het team begrijpen hoe PETase het gekozen plastic afbreekt. De moleculen in een polymeer zijn als verbonden Legostenen die gewoon uit elkaar kunnen trekken. Voor PET is PETase de trekker. Maar om te begrijpen hoe PETase de moleculen van het plastic kon vastpakken en aandraaien, had het team voldoende van het enzym nodig om het in kaart te kunnen brengen.

Dat is waar de cellulaire expertise van Johnson binnenkwam. Samen met een extern bedrijf, synthetiseerden ze het gen dat PETase produceert, zodat het later in E. coli kan worden gegleden, een eencellig organisme dat snel en gemakkelijk in een laboratorium kan groeien. Hij stuurde de genetische code over de vijver naar het lab van McGeehan. Daar had de gemuteerde voedselvergiftiger wat rooi en begon PETase eruit te pompen.

McGeehan bracht het PETase-enzym in een faciliteit met een superkrachtige röntgenmicroscoop die licht 10 miljard keer sterker dan de zon gebruikt om monsters te onderzoeken en foto's op atomaire schaal te maken. Binnen de exotische microscoop geleidden supergekoelde magneten de röntgenstralen totdat de wetenschappers PETase zelf konden zien - en niet alleen de effecten ervan.

Het enzym lijkt voor het ongetrainde oog op het liefdeskind van een zeespons en een menselijk brein. Of, als je een heel gelukkige bioloog bent, lijkt het bijna precies op cutinase, de trekker voor cutin, een wasachtig polymeer dat veel planten bedekt. Cutinase heeft een smalle U-vormige put die precies in de cutin inkepelt. PETase heeft dezelfde U, alleen breder, een beetje als een cutinase in een prethuisspiegel. De PETase U steekt in PET, zoals de twee kanten van een BFF ketting.

Beckham dacht destijds niet zo goed: het enzym, zo redeneerde hij, evolueerde aanvankelijk om cutin te eten en had zich duidelijk aangepast in de aanwezigheid van zoveel afval om een ​​nieuw favoriet voedsel te hebben.

De vorm, functie en het evolutionaire idee in de hand, het team diende hun paper in voor publicatie in oktober 2017. Maar het oorsprongverhaal - hun meest geliefde deel - was problematisch. "Een van onze recensenten zei: 'Nee, dat moet je laten zien', " herinnert Beckham zich.

Dit wordt een waardeloze activiteit die hij zich had voorgesteld. Het leek zo vanzelfsprekend dat cutinase Darwined zijn weg naar PETase had gevonden. Maar om te laten zien hoe dat was gebeurd, moesten ze de evolutionaire klok terugdraaien, de brede PETase U terugbrengen tot een kleine cutinase U, en in het proces dachten ze, waardoor het niet, of althans minder in staat was om te kauwen plastic. Daarna zouden ze de koers omkeren, de cutinase weer in PETase veranderen en laten zien hoe de ene de andere werd.

Beckham zou die woorden moeten eten (en verwerken).

---

Het team begon eind 2017 met de eerste helft van het experiment en veranderde PETase weer in cutinase. Eerst hebben ze het DNA aangepast dat het enzym PETase maakt. In het bijzonder muteerden ze twee aminozuren, zodat hun vervangers in een U knepen, waardoor een enzym ontstond dat dichter bij cutinase lag. Van zijn kant begon Rorrer - de polymeerman - flessen te oogsten van collega's, waaronder favorieten van het personeel zoals Diet Pepsi en Diet Dr Pepper. (Vandaag staat het afval nog steeds op de bovenkant van zijn kast.) Hij gebruikte een standaard perforator voor het kantoor om cirkels uit te knippen. Hij plaatste die vervolgens in nauwe kwartalen met versies van het gemodificeerde enzym, in de verwachting dat hij terug zou komen om het te vinden met minimale vooruitgang, indien aanwezig.

Maar dat is niet wat er gebeurde. Toen Rorrer vier dagen later terugkwam, merkte hij dat het gehackte enzym niet alleen werkte, maar ook ongeveer 30 procent meer at dan de PETase van de recyclingfabriek Sakai. De teamleden begonnen aan zichzelf te twijfelen. Misschien heb ik de monsters verkeerd die Rorrer dacht. Donohoe, de specialist in celafbraak, vermoedde dat ze de monsters hadden verwisseld. Ze herhaalden het experiment nog twee keer, maar kregen steeds dezelfde uitkomst: het nieuwe enzym had een goede eetlust. Donohoe herinnert me dat ik zoiets heb van 'ik denk dat we het moeten geloven, ook al weet ik niet hoe.' "

Het resultaat bleef open of PETase was veranderd van cutinase in de oh, natuurlijk zoals het team had vermoed. Maar de onverwachte uitkomst is nog steeds goed nieuws: het betekent dat ze kunnen verbeteren wat de evolutie al heeft veroorzaakt. De natuur heeft niet noodzakelijk de ultieme oplossing gevonden, zegt Beckham, de chemisch ingenieur.

Toen ze de ontdekking in april 2018 aankondigden, hielden mensen vast aan de oopsiness. John McGeehan ontving een Goop-prijs van het pseudowetenschappelijke wellnessmerk van Gwyneth Paltrow. Hij probeerde het te verwerpen, maar er is geen verwerping van Gwyneth Paltrow. Maar voor deze groep was beroemd zijn niet genoeg. En het verbeteren van PETase was dat ook niet. Er is hier waarschijnlijk ruimte om het een stuk beter te maken, zegt Beckham.

Ideonella sakaiensis blijkt verre van het enige organisme te zijn dat plastic afval als brandstof kan gebruiken. "Bacteriën evolueren waarschijnlijk gewoon om dingen rondom hen op te eten, zegt genetische ingenieur Johnson. Biologen weten al tientallen jaren dat bestaande enzymen, zoals de zogeheten esterasen die microben en schimmels uitspugen, PET en nylon kunnen afbreken.

Kunststoffen die in het meer van Zürich drijven, dragen vier organismen die klaar zijn om polyurethaan te eten. In de oceaan hebben onderzoekers in India bacteriesoorten ontdekt die polyvinylalcohol kunnen afbreken, wat water bestand maakt tegen papier. Een andere groep vond een schimmel waarvan de cutinase ook PET smakt. Geen van deze kan echter op de schaal snel genoeg feesten om nuttig te zijn voor de industrie. Met elk jaar meer dan 300 miljoen ton plastic geproduceerd, zouden organismen op alle dagen rond de 906.000 ton moeten afronden om in y te eindigen. Het duurt vier dagen om het oppervlak van een Diet Dr Pepper-fles op te lossen.

In zijn eigen zoektocht naar betere polymeereters heeft het dreamteam recent nieuwe spelers van Montana State University geworven die extremofielen bestuderen die koken in de felgekleurde poelen van Yellowstone. Selfie- vallende toeristen gooien veel afval in die hete bronnen. Bij temperaturen zoals deze smelt soms meer dan 400 graden

Voor een bacterie is het kauwen van oververhitte rommel als snelheid nemen: alles gebeurt veel sneller. Als de wetenschappers een extremofiel kunnen vinden, of een ingenieur die het warm vindt en PET eet, dan zijn ze een stap dichter bij een proces dat snel genoeg werkt om bruikbaar te zijn in de echte wereld.

In dat scenario zou een toekomstige recyclingfabriek het plastic verwarmen of in blokjes snijden, het vervolgens in een grote pot met heet water gooien en in wat PETase (of ander hongerig enzym) strooien. Dat zou een soep van polysyllabische ingrediënten opleveren: tereftaalzuur en ethyleenglycol, het spul dat bedrijven kunnen laten draaien in sterkere, hoogwaardige polymeren.

Maar eerst hebben ze een beter enzym nodig. "Het leven zal een manier vinden waarop Beckham glimlacht terwijl hij Jurassic Park parafraseert. Toch kan de natuur een hulp gebruiken. Dus begint het team met het benutten van het geheim van evolutie: willekeurige mutatie. Soms maakt nieuwe genetische code het organisme beter geschikt voor zijn omgeving, en de microbe leeft om die verwaandheid door te geven aan zijn nakomelingen. Maar in het laboratorium kunnen we de evolutie versnellen door bijvoorbeeld de zogenaamde plastic-eters alleen PET te voeren. Als ze niet gaan eten, verhongeren ze.

Het team probeert ook nieuw leven te creëren door het PETase-gen te injecteren in bacteriën die minder kieskeurig zijn dan Ideonella . Beckham haalt een niet-gepubliceerd papier tevoorschijn en bladert naar foto's voor en na. Na vier dagen in een reageerbuis met een nieuwe mutant, is een beetje geperforeerd plastic wat hij "een soepele mix van onzin noemt. Crap hier, is opgekauwde plastic onderdelen.

De inspanning werkt met andere woorden. Terwijl Beckham naar zijn foto's kijkt, lacht hij en herinnert zich een link die mensen hem stuurden toen de eerste krant van het team uitkwam. Het wees op een boek uit 1971 genaamd Mutant 59: The Plastic-Eaters . In het verhaal neemt een polymeer-oplossend virus het over - het doden van ruimtevaartuigen, neerstortende vliegtuigen, zinkende onderzeeërs en in het algemeen oncontroleerbare chaos veroorzaken omdat het schijnbaar al het plastic in de wereld vernietigt.

Niet-fictieve onderzoekers zijn van plan dat hun gemanipuleerde organismen in het laboratorium, in buizen en, uiteindelijk, in industriële processen blijven. Dergelijke organismen kunnen zelfs al aan de buitenkant bestaan, nadat ze op de ouderwetse manier zijn geëvolueerd. Vergeet niet dat de wereld bacteriën heeft die veel andere dingen eten waar we van houden: metaal, brood, kaas, onze eigen huid. En we zijn allemaal nog steeds hier, knabbelen aan brood en kaas, zittend op metalen stoelen. Gezien een eonenlange voorsprong, zijn de microben er nog niet in geslaagd het over te nemen. Dus, tenzij de natuur opmerkelijk snel beter wordt (het duurde ongeveer 50 jaar om de inefficiënte versie van PETase te maken), of een malafide acteur een staatsgreep organiseert, zullen geen beestjes snel je Walmart-kajak uithalen.

Beckham geeft meer vertrouwen aan een zorg dat koolstof, die tijdens de spijsvertering wordt uitgespuugd, uiteindelijk koolstofdioxide wordt, een broeikasgas dat bijdraagt ​​aan de klimaatverandering. Maar elke toevoeging zou worden overschaduwd door gassen uit andere industrieën. Zijn groep wil noch een bio-verwarmde wereld noch een zonder plastic.

In plaats daarvan willen ze een echte economische prikkel creëren voor het terugwinnen van de meeste polymeren. Op dit moment komt het recycling-einde alleen uit PET met zwakkere bindingen: het is een uitdaging om er nog een fles van te maken en het is ongeveer 75 procent waard van het originele plastic. Het gaat in textiel of tapijten. Die komen meestal op stortplaatsen terecht.

Biologisch afbreekbaar plastic produceert echter componenten die de voorloper kunnen worden van dure materialen zoals Kevlar, dat twee of drie keer zoveel verkoopt als gerecycled PET en gaat naar stressbestendige producten zoals snowboards. Deze materialen geven bedrijven een op geld gebaseerde reden om plastic terug te vorderen. Innovators zouden ze zelfs kunnen gebruiken om vliegendere vliegtuigen, efficiëntere auto's en sterkere, lichtgewicht dingen te bouwen waar we nog niet aan hebben gedacht. Dingen die misschien bijdragen aan het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen.

Deze wereld zal niet bestaan ​​morgen of volgend jaar. Maar het is een nabije toekomst, gesynthetiseerd door de microben van het dreamteam, of anderen ', en wat de natuur ook brengt op de polymere picknicktafel. Als het lukt, kunnen we naast elkaar bestaan ​​met plastic, niet bovenop een hoop.

Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd in het Make It Last-nummer van Popular Science in de zomer van 2019 .

Stel telefoonherinneringen in voor alles

Stel telefoonherinneringen in voor alles

Het gezicht van de iPhone X wordt ontgrendeld en het vijfde amendement gaat niet samen

Het gezicht van de iPhone X wordt ontgrendeld en het vijfde amendement gaat niet samen

Maserati's nieuwe luxe SUV transformeert van hot rod naar off-road rijdend beest

Maserati's nieuwe luxe SUV transformeert van hot rod naar off-road rijdend beest