باکتری‌هایی که پلاستیک می‌خورند و مواد مغذی می‌سازند

ضمیمه دانش امروز روزنامه اطلاعات نوشت: باکتری‌ها برای هر مانع و مسأله علمی یک راه حل در پیش روی دانشمندان می‌گذارند. آن‌ها به عنوان عضوی از مجموعه بی‌نهایت موجودات طبیعت به شکل‌گیری ایده‌های تازه کمک زیادی کرده‌اند.

در سال ۲۰۰۱ یک گروه دانشمند ژاپنی در یک خاک‌چال یا محل دفن زباله به کشف حیرت‌انگیزی رسیدند. این دانشمندان به دنبال موادی مانند پلی‌استر می‌گشتند که قابلیت نرم کردن پارچه را دارند. پلی‌استر از همان نوع پلاستیکی ساخته می‌شود که در تولید بطری‌های نوشیدنی به‌کار می‌رود.

آن‌ها در گودال‌هایی که پر از مواد زاید و خاک و آلودگی بود، به لایه‌های نازک و چسبناکی متشکل از اجتماعات باکتری برخورد کردند که با اشتیاق در حال جویدن بطری‌های پلاستیکی، اسباب‌بازی و خرده‌ریزهای دیگر بودند.

باکتری‌ها ضمن تجزیه زباله، کربن درون پلاستیک را به‌عنوان منبع انرژی برای رشد، حرکت و تکثیر خود ذخیره می‌کردند. آن‌ها در ابتدا تصور می‌کردند باکتری‌ها صرفاً به سطح پلاستیک حمله می‌کنند اما بعد دیدند که فعالیت آن‌ها بسیار فراتر از آن است؛ چون نه‌فقط پلاستیک را به‌طور کامل تجزیه می‌کردند بلکه آن را فرآوری کرده و مواد مغذی اولیه از آن می‌ساختند.

شاید نحوه غذا خوردن باکتری‌ها مانند ما از دست به دهان و سپس به معده نباشد اما آن‌ها مشغول خوردن پلاستیک بودند. تا پیش از آن،این رفتار هرگز در باکتری‌ها دیده نشده بود. بدین ترتیب، با مشاهده باکتری‌ها در حال جویدن یک بطری پلاستیکی، جرقه ایجاد یک تحول بزرگ در تکنیک‌های بازیافت زده شد.

این کشف که پتانسیل آن پرواضح است سه سال پیش از ظهور واژه ریزپلاستیک (میکروپلاستیک) اتفاق افتاد؛ اکنون که ۲۲ سال از این کشف می‌گذرد دانشمندان سعی دارند این قدرت باکتری‌ها را در مقیاس گسترده به کار بگیرند تا بحران زباله را حل کنند.

دانشمندان ژاپنی نام این باکتری را «ایدئونلا ساکاینسیس» (Ideonella sakaiensis)گذاشتند که برگرفته از نام شهر «ساکای»، جایی که باکتری در آن یافت شده است. این باکتری آنزیم به خصوصی تولید می‌کند که به کمک آن می‌تواند پلی‌اتیلن ترفتالات (PET)را تجزیه کند، رایج‌ترین پلاستیکی که در صنعت پوشاک و بسته‌بندی به کار می‌رود.

آن‌ها این باکتری‌ها را در لوله آزمایش گذاشتند و یک لایه پلاستیکی نازک به طول ۲ سانتی‌متر با وزن یک بیستم گرم را درون آن قرار دادند. لوله در دمای اتاق گذاشته شد و باکتری‌ها پس از حدود هفت هفته تکه پلاستیک را به پیش ماده‌های سازنده‌اش که مایع بودند تبدیل کردند.

این مدت‌زمان برای این‌که در مقیاس بزرگ تأثیر قابل توجهی روی زباله‌های پلاستیکی داشته باشد بسیار کند است. اما خوشبختانه، طی چهل سال اخیر، دانشمندان در مهندسی و تغییر آنزیم‌ها بسیار توانا شده‌اند.

آنزیم تولید شده توسط ایدئونلا که پلاستیک خواری این باکتری را ممکن می‌کند هنوز در اوایل رشد فرگشتی خود است. این آنزیم که باکتری ایدئونلا به کمک آن پلاستیک نوع پلی‌اتیلن ترفتالات را تجزیه می‌کند «پِتاز» (PETase)نام دارد.

برای تقویت و تسریع فرگشت طبیعی این باکتری، دانشمندان نقاط دیگری از این آنزیم را که به‌طور مستقیم بر پلاستیک اثر می‌گذارند هدف گرفته‌اند و به کمک مهندسی ژنتیک هر نوع جهش ممکنی را به آن‌ها القا می‌کنند.

در دنیای وحش، هر آنزیم فقط یک مرتبه در هرچند هزار باری که باکتری تقسیم می‌شود جهش پیدا می‌کند اما دانشمندان یقین دارند که می‌توانند صدها یا حتی هزاران آنزیم جهش‌یافته را در آزمایشگاه تست کنند. پس از آزمایش، توان هر کدام از آن‌هارا در تجزیه پلاستیک محک می‌زنند. هر کدام که در کار تجزیه قوی‌تر شده باشد، تحت دور دیگری از جهش‌ها قرار می‌گیرد. آن‌ها اکنون آنزیم پتازی را مهندسی کرده‌اند که پلی‌اتیلن ترفتالات را چندین برابر سریع‌تر از آنزیم اولیه تجزیه می‌کند.

در دنیایی که از بحران آلودگی ناشی از پلاستیک به ناامیدی رسیده است، کشف این باکتری و ارتقاء قدرت تجزیه آن مانند نور فانوس دریایی برای ملوانان کشتی امیدوارکننده است. خوشبختانه این امیدواری از یک گونه باکتری که فقط یک نوع پلاستیک را می‌خورد فراتر می‌رود چون دانش میکروبیولوژی به‌تازگی به تنوع و قدرت باکتری‌ها پی برده است.

امروزه زیست‌شناسان با رویکردی به نام «زیست‌کاوی» یا «اکتشاف زیستی» (bioprospecting) به سراسر دنیا سفر می‌کنند تا باکتری‌های جالب و سودمند را کشف کنند، درست مانند جویندگان طلا که در رودخانه‌ها با کاسه‌های فلزی بزرگ در جستجوی ذرات طلا هستند. برای مثال، دانشمندان کره‌ای یک دکل حفاری را به یکی از محل‌های دفن زباله بردند و خاک‌چال را تا عمق ۱۵ متری حفاری کردند تا به زباله‌های پلاستیکی قدیمی که ده‌ها سال از دفن آن‌ها گذشته بود برسند.

بدین ترتیب، نوعی باکتری به نام «باسیلوس تورنجینسیس» را یافتند که با تغذیه از کیسه‌های پلاستیکی از جنس پلی‌اتیلن به زندگی خود در آن شرایط ادامه می‌داد. آن‌ها اکنون روی آنزیم‌هایی که این باکتری از آن‌ها استفاده می‌کند مطالعه می‌کنند تا دریابند آیا واقعاً توانایی سوخت‌وساز پلاستیک را دارد.

دانشمندان در خطوط ساحلی ویتنام و تایلند نیز به دنبال میکروب‌های پلاستیک‌خوار دیگری هستند. آنزیم‌های تجزیه‌کننده پلاستیک تا حد زیادی شبیه به آنزیم‌های طبیعی هستند که پوشش برگ‌های گیاهان را تجزیه می‌کنند. جنگل‌ها و باتلاق‌های حرا نیز پوشش ضدآب مشابهی در ریشه‌های خود دارند.

با توجه به این‌که مقادیر زیادی پلاستیک، طبیعت مرداب‌ها و نیزارها را در هم پیچیده است، دانشمندان امیدوارند باکتری‌هایی که توان تجزیه ریشه‌های پوشش گیاهی بیشه‌های حرا را دارند بتوانند پلاستیک را نیز تجزیه کنند.

آیا باکتری‌های بسیار فرگشت یافته ما را از بحران پلاستیک رها خواهند کرد؟ برخی از دانشمندان معتقدند که علیرغم وجود میکروب‌های پلاستیک‌خوار، فناوری همچنان با محدودیت‌هایی رو‌به‌رو است. یک محدودیت این است که بسیاری از انواع پلاستیک احتمال دارد به‌خوبی توسط آنزیم‌ها هضم نشوند؛ چون برای شکستن پیوندهای شیمیایی آن‌ها مقادیر بسیار زیادی انرژی لازم است.

عده‌ای دیگر از دانشمندان به این محدودیت‌ها واقف هستند اما بر این باورند که پلاستیک‌های زیادی می‌توانند هدف مناسب تجزیه توسط آنزیم‌های باکتریایی باشند. برای مثال، نایلون پلاستیک مقاومی است اما این رویکرد برای آن مؤثر عمل می‌کند. گزینه مناسب دیگر پلی اورتان است.

اگر برای انواع پلاستیکی که نسبت به فرایند تجزیه آسیب‌پذیر هستند آنزیم تجزیه‌کننده مؤثری یافت شود، نزدیک به نیمی از زباله‌های پلاستیکی دنیا دوباره تبدیل به اشیائی مفید می‌شوند و ماهیت زائد و زیان‌آور خود را از دست می‌دهند. با این‌که دانشمندان در حال حاضر از آنزیم‌های باکتریایی برای تبدیل پلاستیک کهنه به پلاستیک نو بهره‌برداری می‌کنند، این کار فقط ازلحاظ اقتصادی منطقی و تأثیرگذار است اما باز هم ماده‌ای به نام پلاستیک در حال تولید شدن است که تولیدش مستلزم مصرف انرژی است.

تاکنون باکتری کشف نشده است که بتواند به معنای واقعی یک تکه پلاستیک بازیافت نشده را با همان کیفیتی که میکروب‌ها مواد ارگانیک را تجزیه می‌کنند تغییر دهد.

مثال بارز عملکرد بی‌نظیر باکتری‌ها، تجزیه جسد در خاک است، به‌قدری ماهرانه که در عرض یک سال یا کمی بیشتر چیزی جز تکه‌های استخوانی غیرقابل هضم چیزی از آن باقی نمی‌گذارند.

نهایت کاری که میکروب‌ها با پلاستیک می‌کنند در حد گاز گرفتن سطحی است. درست مانند کودک انسان که در شرف دندان درآوردن است و فقط غذای پوره شده و نیمه مایع می‌خورد، باکتری‌ها نیز نمی‌توانند روی موادی که به حد لازم نرم و آماده جویدن نیستند تغییر زیادی به وجود آورند.