PROČ?!

V roce 2016 se na světě vyprodukovalo 780 miliard PET lahví, méně než polovina se vrátila k recyklaci a z toho jen 7 % se přetvořilo na surovinu pro nové obaly (zdroj). Většina tak skončila na skládkách, v oceánech a všude, kudy kráčíme, jezdíme a plavíme se.

Produkce plastů stále roste, jeho odpadu přibývá. Než se v přírodě odolná PET láhev zcela rozloží, trvá prý v průměru 450 let, za jistých podmínek až jedno tisíciletí. Že situace hrozí katastrofou, je zcela zřejmé. Nejen v oceánu, kde každý rok přibude 8 miliónů tun. Co pluje, to proudy časem soustředí do určitých oblastí nebo tím pokryjí pobřeží.

PET - termoplastický polymer, nejrozšířenější z polyesterů (semi-aromatický polyester), s nesympaticky dlouhým chemickým zápisem [(CO)C₆H₄(CO₂CH₂CH₂O)]_n i názvem polyetylentereftalát,  byl patentován před 77 lety, v roce 1941. Komerčně se začal využívat o deset let později a ve velkém svět zaplavovat od sedmdesátých let. Dnes je doslova všudypřítomný. Z evolučního hlediska proto není příliš překvapující, že na skládkách přeplněných plasty se některé mikroorganizmy „vrhly“ na tento nový potenciální uhlovodíkový zdroj. Pomocí mutacemi pozměněných enzymů dokážou PET rozkládat na složky pro ně stravitelnější .

Bakterie Ideonella sakaiensis rozkládá povrch PET pomocí dvou enzymů, PETázy a MHETázy, na etylenglykol (známe ho jako Fridex) a kyselinu tereftalovou. Rozklad je na řešení problému s odpadem příliš pomalý. Bakterie s PETázou upravenou v laboratoři by sice byla o něco výkonnější, ale na naši produkci odpadu to zdaleka nestačí. Upraveno podle originálního článku.

V roce 2016 japonští vědci objevili první takovou bakterii na skládce tamního recyklačního závodu a nazvali ji Ideonella sakaiensis. Specializuje se na polyetylentereftalát, tedy PET, na jehož povrch se připojuje vláknům podobnými úpony a žel velice pomaloučku ho pomocí dvou enzymů, nejdřív PETázy, pak MHETázy, štěpí na dvě základní složky, z nichž byl původně vyroben – na kyselinu ftalovou (tereftalovou) a etylenglykol. Pro bakterii jsou zdrojem uhlíku a energie.

Prý existuje i několik mikroskopických hub, jež se PET-plastem živí. Ale například druh Pestalotiopsis mikrospora, který je s těmito schopnostmi spojován, má v jídelníčku jako hlavní menu polyuretan. Odborníci očekávají, že systematičtější průzkum odhalí více druhů mikroorganizmů požírajících polyestery, mezi něž PET patří.

Vraťme se zpět k Ideonelle a její PETáze. Do podrobného výzkumu krystalické struktury tohoto enzymu se pustil 21 členný americko-britsko-brazilský tým vědců. Ve snaze zjistit, jak se za relativně krátkou dobu  PETáza evolučně vyvinula pravděpodobně z velmi podobné kutinázy, enzymu, který za pomoci vody rozkládá polymerní voskovitou ochrannou vrstvičku na povrchu rostlin, obě molekuly porovnali. Nejen úplné řetězce aminokyselin, ale i jejich prostorové uspořádání a vlastnosti, aby mohli odhalit evolucí zakódované mutace a jejich důsledky. Dostatek PETázy výzkumníci získali vložením příslušného genu do běžné, rychle se množící bakterie Escherichia coli, kutinázu od rozšířené termofilní bakterie Thermobifida fusca. Pak podle vzoru kutinázy strukturu PETázy  pozměňovali a zkoumali, jak to ovlivní její schopnost rozkládat PET.

Snímky z rastrovacího elektronového mikroskopu – horní řádek vzorek PET: a/ povrch PET ; b/ po 96 hodinovém působení přírodní PETázy; c/ po 96 hod. působení upravené PETázy.

Spodní řádek – to samé, ale s lépe degradovatelným PEF (polyetylén furanoát) Podrobnější snímky i informace - viz. originální článek.

Když sofistikovanými manipulacemi zmenšili úhel mezi dvěma aktivními oblastmi molekuly enzymu, zjistili, že jde o nečekaně šťastný krok k vyšší výkonnosti. Postrčili tak vlastně evoluci PETázy vpřed, samozřejmě za předpokladu, že bakterie, jež ji využívá, žije v prostředí dostatečně „obohaceném“ o vhodnou umělohmotnou potravu. V laboratoři pozměněná PETáza rychleji degraduje i jiné plasty (například polyetylén furanoát, PEF), s nimiž se počítá jako s náhradou za PET, protože méně úporně odolávají hlodajícímu zubu času a produkty jejich rozkladu nejsou škodlivé. Vědci jsou přesvědčeni, že další změny v struktuře enzymu povedou k ještě výkonnější  PETáze, schopné rozkládat více typů syntetických polyesterů.

Protože sekvence aminokyselin v molekule enzymu je známá, je dnes již možné syntetizovat i kódující řetězec DNA, vytvořit umělý gen pro vylepšenou PETázu a genetickou manipulací plastožravou Ideonellu inovovat.

Bezpochyby zajímavý a nadějný výzkum. Jistě však neposkytne řešení dostačující k zastavení laviny přibývajícího plastového odpadu. Stejně to nesvede ani náhrada odolných hmot za ty lépe biologicky odbouratelné. Situace si spíše dříve než později vyžádá protiútok na všech frontách a i nás, konzumenty, přinutí chovat se mnohem odpovědněji. Aby zcela běžnou realitu nedokumentovaly fotografie, jakou je tato (fotografové časopisu Nature ji v dubnu zvolili za fotografii měsíce).

Celý odborný článek je volně dostupný:

Austin H. P. et al.: Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase, Proceedings of the National Academy of Sciences, Apr 2018, 201718804; DOI: 10.1073/pnas.1718804115