Nämä bakteerit ovat sopeutuneet evoluution myötä lisääntyneeseen jätemäärään. Tämä löytö voi olla tehokas tapa puhdistaa meret.
Sisällysluettelo
Oceanin syvyyksissä, ihmisen silmälle näkymättömissä, elää miljoonia mikro-organismeja, jotka käyvät omaa taisteluaan ympäristön pilaantumista vastaan. Tässä mikroskooppisessa maailmassa tutkijat ovat juuri löytäneet avaimen ymmärtää, kuinka jotkut näistä pienistä asukkaista ovat kehittyneet muuntamaan muovia ravinnoksi.
Kansainvälinen ryhmä, jota johtaa Kuningas Abdullahin tiede- ja teknologiayliopisto (KAUST), on tunnistanut ainutlaatuisen entsymaattisen motiivin, joka tunnetaan nimellä M5 ja joka mahdollistaa tiettyjen meribakteerien hajottaa polyeteenitereftalaatin (PET) – yleisimmin käytetyn muovin pulloissa, säiliöissä ja tekstiilikuiduissa.
Oxford Academic -lehdessä julkaistu löytö tarjoaa aivan uuden näkökulman meren elämän reaktioon ihmisen vaikutukseen. Sen sijaan, että olisivat puolustuskyvyttömiä jätteen edessä, jotkut bakteerit näyttävät kehittäneen molekyylimekanismeja, jotka käyttävät muovia uutena energialähteenä.
”M5-motiivi toimii kuin sormenjälki, joka kertoo meille, milloin PET-entsyymi todennäköisesti toimii ja kykenee hajottamaan PET-muovia”, selitti Carlos Duarte , meriekologi ja tutkimuksen toinen johtaja. ” Sen löytäminen auttaa meitä ymmärtämään, kuinka nämä entsyymit ovat kehittyneet muista hiilivetyjä hajottavista entsyymeistä.”
KAUST-tutkijoiden yhteistyössä bioinformatiikan ja meribiologian asiantuntijoiden kanssa julkaisemassa tutkimuksessa yhdistettiin geneettinen analyysi, tekoälyä hyödyntävä rakenteellinen mallinnus ja laboratoriokokeet.
Johtopäätös oli yhtä selvä kuin hämmästyttävä: merissä elää globaali verkosto mikrobeja, jotka on varustettu tämän entsyymin toiminnallisilla muunnoksilla, ja M5-motiivi on avain niiden tunnistamiseen.
Molekyylisignatuuri, joka paljastaa meren ”kierrättäjät”
Muovin ja mikro-organismien historia kohtasi ensimmäisen kerran vuonna 2016, kun japanilaiset tutkijat löysivät bakteerin, joka pystyi ravitsemaan muovijätettä kierrätyslaitoksessa. Siitä lähtien tutkijat ovat pohtineet, voiko vastaavia entsyymejä esiintyä paljon kylmemmissä, pimeämmissä ja aggressiivisemmissa meren ekosysteemeissä.
Uusi tutkimus tarjoaa vakuuttavan vastauksen. Analysoituaan yli 400 merivesinäytettä kaikista seitsemästä merestä tutkijat löysivät toiminnallisia versioita M5-motiivista lähes 80 prosentista näytteistä. Bakteereita, joilla on tämä geneettinen tunnusmerkki, löytyi sekä pinnalta , jossa kelluva muovi kertyy, että jopa 2000 metrin syvyydestä, jossa luonnollisia ravinteita on niukasti.
Näissä äärimmäisissä olosuhteissa kyky metabolisoida synteettistä hiiltä voi merkitä mikrobeille eroa elämän ja kuoleman välillä. Intikhab Alam , bioinformatiikan vanhempi tutkija ja tutkimuksen toinen kirjoittaja, totesi, että M5-motiivia kantavat bakteerit ovat ilmeisesti muuttaneet muovin elinkelpoiseksi energiavaihtoehdoksi. ”Meressä, jossa hiiltä on vähän, mikrobit näyttävät kehittäneen näitä entsyymejä hyödyntääkseen tätä uutta keinotekoisen hiilen lähdettä: muovia”, Duarte lisäsi.
Avain ratkaisuun löytyy rakenteesta. M5-motiivia sisältävät PETaasi-entsyymit ovat ominaista kolmiulotteista rakennetta, jonka ansiosta ne tunnistavat ja hajottavat PET-polymeeriketjut yksinkertaisemmiksi osiksi, jotka muut mikro-organismit voivat hyödyntää. Vaihtoehdot, joissa tätä motiivia ei ole, eli pseudopET-entsyymit, eivät omaa tarvittavaa katalyyttistä aktiivisuutta tai vaikuttavat muihin yhdisteisiin.
Tämän osoittamiseksi tiimi käytti motiiveihin perustuvaa luokittelujärjestelmää. Käyttämällä tekoälyyn perustuvia rakenteellisia ennustamisalgoritmeja he kehittivät mallin, joka pystyy erottamaan toiminnalliset ja toimimattomat entsyymit. Sitten he tekivät laboratoriotestejä ennusteidensa tarkistamiseksi. Vain M5-motiivia sisältävät bakteerit pystyivät hajottamaan muovia kontrolloiduissa olosuhteissa saavuttaen 25–50 %:n tehokkuuden verrattuna vuonna 2016 löydettyyn alkuperäiseen PETaasiin.
Metagenominen analyysi näytteistä osoitti myös, että suurin osa meren PETaaseista koodataan Pseudomonadales-lahkon edustajilla , bakteeriryhmällä, joka tunnetaan metabolisen monipuolisuudestaan. Nämä merelliset variantit ovat ilmeisesti peräisin hiilivetyjä hajottavista entsyymeistä, mikä viittaa luonnolliseen siirtymiseen orgaanisten yhdisteiden kulutuksesta ihmisen toiminnan tuloksena syntyviin synteettisiin yhdisteisiin.
Globaali kartta mikro-organismien evoluutiosta muovin olosuhteissa
M5-motiivin löytäminen on enemmän kuin vain biologinen kuriositeetti: se on selvä osoitus nopeutetusta evoluutiosta, joka johtuu ihmisen aiheuttamasta saastumisesta. Kun meret täyttyvät muovista, mikro-organismit reagoivat geneettisillä muutoksilla, jotka mahdollistavat niiden hyödyntää tätä uutta hiilen lähdettä.
”Ekologisesta näkökulmasta näiden entsyymien määrän kasvu on merkki mikro-organismien varhaisesta reaktiosta ihmisen toiminnasta johtuvaan planeetan saastumiseen”, Duarte varoitti. Hän varoitti kuitenkin myös tämän luonnollisen prosessin rajoituksista. ”Siihen mennessä, kun muovi saavuttaa meren syvyydet, riskit meren kasvi- ja eläimistölle sekä sitä ravintonaan käyttäville ihmisille ovat jo toteutuneet”, hän totesi.
Tutkijat korostavat, että luonnollisen hajoamisen nopeus on edelleen liian hidasta kompensoimaan muovin kertymistä meriin. Viimeisimpien arvioiden mukaan vuosittain mereen päätyy 8–12 miljoonaa tonnia muovijätettä , ja alle 10 % siitä kierrätetään tehokkaasti maalla. Vaikka tämä onkin lupaavaa, mikro-organismien toiminta yksinään ei riitä kääntämään tätä suuntausta.
Seuraava alue, jolla tämä voisi vaikuttaa välittömästi, on bioteknologian kehittäminen teolliseen kierrätykseen .
Merien syvyyksissä spontaanisti kehittyneet entsyymit ovat todellinen malli PET:n hajoamisprosessien optimoimiseksi hallitsemattomissa olosuhteissa.
”PET:n hajoittavien entsyymien monimuotoisuus, joka on kehittynyt spontaanisti meren syvyyksissä, tarjoaa malleja, joita voidaan optimoida laboratorio-olosuhteissa käytettäväksi muovin tehokkaassa hajoamisessa puhdistamoissa ja lopulta kotitalouksissa”, Duarte totesi.
Tässä mielessä M5-motiivi toimii rakenteellisena suuntaviivana tehokkaampien ja vakaampien versioiden kehittämiselle. Ymmärtämällä, mitkä molekyylin osat ovat välttämättömiä substraatin tunnistamiseksi ja katalysoimiseksi, proteiini-insinöörit voivat jäljitellä tai parantaa tätä rakennetta tehokkaampien biologisten työkalujen luomiseksi.
Samalla nämä tutkimustulokset tarjoavat ennennäkemätöntä tietoa maailmanlaajuisesta merien aineenvaihdunnasta . Tutkijat ovat havainneet, että M5-motiivilla varustetut PETaasit ovat aktiivisia sekä voimakkaasti saastuneilla alueilla, kuten Tyynenmeren pohjois- ja eteläosissa, että Atlantin syvänmeren alueilla. Tällainen jakautuminen osoittaa, että muovisaasteen valikoiva paine vaikuttaa jo jopa kaikkein syrjäisimpiin ekosysteemeihin.
Laboratoriosta kohti kierrätyksen tulevaisuutta
Tämä löytö ei tarkoita, että meri ”puhdistuu itsestään”, vaan se tarjoaa pikemminkin luonnollisen mallin biologiselle suunnittelulle , joka voi inspiroida ihmiskuntaa uusiin ratkaisuihin. Ajatus meren entsyymien käytöstä muovin kierrätyksessä on jo innoittanut useita laboratorioita ympäri maailmaa kokeiluihin, mutta M5-motiivi toimii nyt tarkkana molekyylisenä suuntaviivana, joka osoittaa, mitkä ominaisuudet on säilytettävä tai muutettava todellisten tulosten saavuttamiseksi.
Tutkimuksen aikana tutkijat havaitsivat, että vain entsyymit, joissa oli tämä motiivi, saavuttivat mitattavan PET:n hajoamistaso. Vaihtoehdot ilman M5:tä, vaikka ne olivat ulkoisesti samanlaisia, eivät osoittaneet havaittavaa aktiivisuutta. Tämä osoittaa, että motiivi on paitsi evoluution merkki myös rakenteellinen edellytys katalyyttiselle toiminnalle.
Kokeellinen vahvistus saatiin in vitro -kokeissa ja keinotekoisissa merimikrokosmoksissa , joissa M5-motiivia kantavat bakteerit hajottivat PET-levyt yksinkertaisemmiksi yhdisteiksi. Tämä prosessi, vaikka se onkin hidas verrattuna teollisiin tekniikoihin, vahvisti hypoteesin, että M5 antaa entsyymeille todellisen toiminnallisen edun.
Näiden bakteerien esiintyminen lähes 80 prosentissa merinäytteistä osoittaa, että kyky hajottaa muovia ei ole yksittäinen ilmiö, vaan globaali evoluution vastaus. Jokainen mereen heitetty muovihiukkanen ei vain häiritse ekosysteemejä, vaan myös aiheuttaa painetta mikrobiyhteisöille, jotka kehittyvät selviytyäkseen muuttuneessa ympäristössä.
Kirjoittajille tämä on kaksijakoinen viesti. Toisaalta se osoittaa luonnon hämmästyttävän sopeutumiskyvyn, toisaalta se korostaa tämän kestävyyden rajoja. Muovia hajottavien entsyymien evoluutio ei tarkoita ongelman ratkaisua, vaan pikemminkin sitä, että biosfääri yrittää kompensoida ihmisen toiminnasta aiheutuvaa keinotekoista kuormitusta.
Toivoa on käytännön sovelluksissa, joissa tätä tietoa hyödynnetään teknologioissa. M5-motiivi voi olla avainasemassa kehitettäessä tehokkaampia synteettisiä entsyymejä, jotka pystyvät hajottamaan muovia teollisessa mittakaavassa. Toisin kuin evoluution satunnaisesti luomat versiot, näitä vaihtoehtoja voidaan tuottaa hallitusti ja käyttää kierrätyslaitoksissa, estäen jätteiden pääsyn mereen.
Tämä löytö herättää myös syvällisiä kysymyksiä biologian ja saastumisen vuorovaikutuksesta . Jos mikrobit sopeutuvat muoviin, raja luonnollisen ja keinotekoisen välillä alkaa hämärtyä. Elämä osoittaa jälleen kerran kykynsä muuttaa jopa kaikkein kestävimmät jätteet uusiksi metabolisiksi mahdollisuuksiksi.
Kun maailma etsii kiireellisiä ratkaisuja muoviongelmaan, meri näyttää aloittaneen oman evoluutiokokeilunsa.
Tässä näkymättömässä laboratoriossa M5-geenin kantavat bakteerit työskentelevät hiljaa muuttaen modernin sivilisaation jäänteitä kemiallisiksi fragmenteiksi, jotka voivat jonain päivänä tulla elämänkierron liikkeellepanevaksi voimaksi. Ehkä juuri siellä, meren syvyyksissä, syntyy biologinen avain uuteen kestävän kierrätyksen aikakauteen.
