Są to bakterie, które wykazały ewolucyjną adaptację do wzrostu ilości odpadów. Odkrycie to może stanowić skuteczny sposób na oczyszczenie oceanów.
Mikroorganizmy zjadają plastik. W głębinach oceanu, niewidocznych dla ludzkiego oka, żyją miliony mikroorganizmów, które toczą własną walkę z zanieczyszczeniem środowiska. W tym mikroskopijnym królestwie naukowcy właśnie odkryli kluczową wskazówkę dotyczącą tego, jak niektóre z tych maleńkich organizmów ewoluują, aby przekształcać plastik w pożywienie.
Międzynarodowy zespół kierowany przez Uniwersytet Nauki i Technologii im. Króla Abdullaha (KAUST) zidentyfikował unikalny enzym, znany jako M5, który pozwala niektórym bakteriom morskim rozkładać politereftalan etylenu (PET), najczęściej stosowany plastik w butelkach, opakowaniach i włóknach tekstylnych.
Odkrycie, opublikowane w czasopiśmie Oxford Academic, oferuje zupełnie nowe spojrzenie na to, jak życie morskie reaguje na wpływ człowieka. Zamiast pozostawać bezbronne wobec odpadów, niektóre bakterie wydają się opracować narzędzia molekularne, które wykorzystują plastik jako nowe źródło energii.
„Motyw M5 działa jak odcisk palca, który wskazuje nam, kiedy PETaza może być funkcjonalna i zdolna do rozkładu plastiku PET” – wyjaśnił Carlos Duarte, ekolog morski i współkierownik badania. „To odkrycie pomaga nam zrozumieć, w jaki sposób enzymy te ewoluowały z innych enzymów rozkładających węglowodory”.
Badanie, opublikowane przez naukowców z KAUST we współpracy ze specjalistami w dziedzinie bioinformatyki i biologii morskiej, łączyło analizę genetyczną, modelowanie strukturalne oparte na sztucznej inteligencji oraz eksperymenty laboratoryjne.
Wniosek był równie jasny, co zaskakujący: oceany są siedliskiem globalnej sieci mikroorganizmów wyposażonych w funkcjonalne warianty tego enzymu, a motyw M5 jest kluczem do ich rozpoznania.
Molekularny podpis, który ujawnia „recyklingowców” oceanu
Historia plastiku i mikroorganizmów po raz pierwszy skrzyżowała się w 2016 r., kiedy japońscy naukowcy odkryli bakterię zdolną do odżywiania się odpadami plastikowymi w zakładzie recyklingu. Od tego czasu naukowcy zastanawiali się, czy w ekosystemach morskich, znacznie chłodniejszych, ciemniejszych i bardziej nieprzyjaznych, mogą istnieć równoważne enzymy.
Nowa praca daje jednoznaczną odpowiedź. Po przeanalizowaniu ponad 400 próbek oceanicznych z siedmiu mórz naukowcy znaleźli funkcjonalne wersje motywu M5 w prawie 80% badanych wód. Bakterie posiadające ten genetyczny znak pojawiły się zarówno na powierzchni — gdzie gromadzą się pływające tworzywa sztuczne — jak i na głębokościach sięgających nawet dwóch tysięcy metrów, gdzie brakuje naturalnych składników odżywczych.
W tych ekstremalnych regionach zdolność do metabolizowania syntetycznego węgla może decydować o życiu lub śmierci mikroorganizmów. Intikhab Alam, starszy badacz w dziedzinie bioinformatyki i współkierownik badania, podkreślił, że bakterie posiadające motyw M5 wydają się przekształcać plastik w realną alternatywę energetyczną. „W oceanie, gdzie węgiel jest rzadkością, mikroby wydają się udoskonalić te enzymy, aby wykorzystać nowe źródło sztucznego węgla: plastik” – dodał Duarte.
Kluczem jest struktura. Enzymy PETaza zawierające motyw M5 mają charakterystyczną trójwymiarową konfigurację, która pozwala im rozpoznawać i rozcinać łańcuchy polimeru PET, przekształcając go w prostsze fragmenty, które mogą być przyswojone przez inne mikroorganizmy. Warianty bez tego motywu, zwane pseudo-PETazami, nie mają niezbędnej zdolności katalitycznej lub działają na inne związki.
Aby to wykazać, zespół zastosował system klasyfikacji oparty na motywach. Wykorzystując algorytmy przewidywania strukturalnego oparte na sztucznej inteligencji, opracowali model zdolny do rozróżnienia enzymów funkcjonalnych od niefunkcjonalnych. Następnie przeprowadzili testy laboratoryjne, aby zweryfikować swoje przewidywania. Tylko bakterie zawierające motyw M5 były w stanie rozkładać plastik w kontrolowanych warunkach, osiągając od 25% do 50% skuteczności oryginalnej PETazy odkrytej w 2016 roku.
Analiza metagenomiczna próbek wykazała ponadto, że większość morskich PETaz jest kodowana przez przedstawicieli rzędu Pseudomonadales, grupy bakterii znanej ze swojej wszechstronności metabolicznej. Wydaje się, że te oceaniczne wersje wyewoluowały z enzymów rozkładających węglowodory, co sugeruje naturalne przejście od konsumpcji związków organicznych do związków syntetycznych wytwarzanych przez działalność człowieka.
Globalna mapa ewolucji mikroorganizmów w obliczu plastiku
Odkrycie motywu M5 stanowi coś więcej niż tylko biologiczną ciekawostkę: jest namacalnym dowodem przyspieszonej ewolucyjnej adaptacji spowodowanej zanieczyszczeniem spowodowanym przez człowieka. W miarę jak oceany wypełniają się plastikiem, mikroorganizmy reagują zmianami genetycznymi, które pozwalają im wykorzystać to nowe źródło węgla.
„Z ekologicznego punktu widzenia wzrost liczby tych enzymów wskazuje na wczesną reakcję mikroorganizmów na zanieczyszczenie planety spowodowane przez człowieka” – ostrzegł Duarte. Zwrócił jednak również uwagę na ograniczenia tego naturalnego procesu. „Zanim tworzywa sztuczne dotrą do głębin morskich, zagrożenie dla życia morskiego i konsumentów ludzkich już nastąpiło” – podsumował.
Naukowcy podkreślają, że tempo naturalnego rozkładu jest nadal zbyt niskie, aby zrównoważyć tempo gromadzenia się tworzyw sztucznych w oceanach. Według ostatnich szacunków każdego roku do morza trafia od 8 do 12 milionów ton odpadów z tworzyw sztucznych, a mniej niż 10% jest skutecznie poddawanych recyklingowi na lądzie. Działanie mikroorganizmów, choć obiecujące, nie jest w stanie samodzielnie odwrócić tej tendencji.
Enzymy, które spontanicznie ewoluowały w głębinach morskich, stanowią rzeczywisty model optymalizacji procesów degradacji PET w warunkach niekontrolowanych.
„Różnorodność enzymów rozkładających PET, które spontanicznie ewoluowały w głębinach morskich, dostarcza modeli, które można zoptymalizować w laboratorium do wykorzystania w skutecznym rozkładaniu tworzyw sztucznych w zakładach przetwarzania odpadów, a ostatecznie także w gospodarstwach domowych” – zauważył Duarte.
Motyw M5 działa w tym sensie jako wytyczna strukturalna do projektowania bardziej wydajnych i stabilnych wersji enzymu. Rozumiejąc, które części cząsteczki są niezbędne do rozpoznawania substratu i katalizy, inżynierowie białkowi mogą replikować lub ulepszać tę architekturę, aby tworzyć bardziej skuteczne narzędzia biologiczne.
Równolegle dane z badania dostarczają niespotykanego dotąd wglądu w globalny metabolizm oceanów. Naukowcy odkryli, że PETazy z motywem M5 są aktywne zarówno w regionach o wysokim poziomie zanieczyszczenia, takich jak wiry północnego i południowego Pacyfiku, jak i w głębokich obszarach Atlantyku. Rozkład ten sugeruje, że selektywna presja zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi dotyka już nawet najbardziej odległe ekosystemy.
Od laboratorium do przyszłości recyklingu
Odkrycie to nie oznacza, że ocean „sam się oczyszcza”, ale stanowi naturalny model inżynierii biologicznej, który może zainspirować nowe rozwiązania dla ludzi. Pomysł wykorzystania enzymów morskich do przetwarzania tworzyw sztucznych zainspirował już eksperymenty w wielu laboratoriach na całym świecie, ale motyw M5 dostarcza teraz precyzyjnego molekularnego punktu odniesienia dotyczącego cech, które należy zachować lub zmodyfikować, aby uzyskać rzeczywiste wyniki.
W badaniu naukowcy sprawdzili, że tylko enzymy z tym motywem osiągały mierzalne poziomy degradacji PET. Warianty bez M5, choć podobne wyglądem, nie wykazały wykrywalnej aktywności. Dowodzi to, że motyw ten jest nie tylko markerem ewolucyjnym, ale także strukturalnym wymogiem funkcji katalitycznej.
Potwierdzenie eksperymentalne uzyskano poprzez testy in vitro i sztuczne mikrokosmosy morskie, w których zaobserwowano, jak bakterie posiadające motyw M5 rozkładały warstwy PET na prostsze związki. Proces ten, choć powolny w porównaniu z technikami przemysłowymi, potwierdził hipotezę, że M5 nadaje enzymom rzeczywistą przewagę funkcjonalną.
Obecność tych bakterii w prawie 80% próbek oceanicznych wskazuje, że zdolność do rozkładania tworzyw sztucznych nie jest zjawiskiem odosobnionym, ale globalną reakcją ewolucyjną. Każda cząsteczka plastiku wyrzucona do morza nie tylko zmienia ekosystemy, ale także wywiera presję na społeczności mikroorganizmów, które ewoluują, aby przetrwać w tym zmienionym środowisku.
Dla autorów przesłanie jest dwojakie. Z jednej strony pokazuje, że natura ma niezwykłą zdolność adaptacji, z drugiej zaś podkreśla granice tej odporności. Ewolucja enzymów rozkładających tworzywa sztuczne nie oznacza, że problem został rozwiązany, ale że biosfera próbuje zrównoważyć sztuczne obciążenie narzucone przez działalność człowieka.
Nadzieja polega na przeniesieniu tej wiedzy na grunt technologiczny. Motyw M5 może stać się kluczowym narzędziem do projektowania bardziej wydajnych enzymów syntetycznych, zdolnych do rozkładania plastiku na skalę przemysłową. W przeciwieństwie do wersji stworzonych przez ewolucyjny przypadek, te warianty mogłyby być produkowane w sposób kontrolowany i stosowane w zakładach recyklingowych, zapobiegając przedostawaniu się odpadów do morza.
Odkrycie to rodzi również głębokie pytania dotyczące interakcji między biologią a zanieczyszczeniem. Jeśli mikroby dostosowują się do plastiku, granica między tym, co naturalne, a tym, co sztuczne, zaczyna się zacierać. Życie po raz kolejny pokazuje swoją zdolność do przekształcania nawet najbardziej trwałych odpadów w nowe możliwości metaboliczne.
Podczas gdy świat poszukuje pilnych rozwiązań problemu plastiku, ocean wydaje się rozpoczynać własny eksperyment ewolucyjny.
W tym niewidzialnym laboratorium bakterie z motywem M5 pracują w ciszy, przekształcając pozostałości współczesnej cywilizacji w fragmenty chemiczne, które pewnego dnia mogą zasilić cykl życia. Być może właśnie tam, w głębinach morza, pojawia się biologiczny klucz, który zainspiruje nową erę zrównoważonego recyklingu.
