في المرة الأولى التي سمعت فيها عن عظيم المحيط الهادئ القمامة تصحيحاعتقدت أنها كانت مزحة سيئة.
وسرعان ما تحول عدم تصديقي إلى رعب عندما أدركت أنه حقيقي. رقعة القمامة، والمعروفة أيضًا باسم دوامة نفايات المحيط الهادئ، هي عبارة عن مجموعة ضخمة من الحطام في شمال المحيط الهادئ. على الرغم من أنها تتكون من جميع أنواع النفايات التي ينتجها الإنسان، إلا أنها المكونات الرئيسية هي قطع صغيرة من البلاستيك الدقيق.
من القش إلى أكياس القمامة، نستخدم كمية مذهلة من البلاستيك - والتي غالبًا ما ينتهي بها الأمر في النظم البيئية الحساسة للمحيطات (وغيرها). بحسب ال مركز التنوع البيولوجي، وهي منظمة غير ربحية لحماية الأنواع المهددة بالانقراض ومقرها في ولاية أريزونا، بالمعدلات الحالية للبلاستيك تم تعيينه ليتفوق جميع الأسماك في المحيط بحلول عام 2050.
كشفت دراسة جديدة يريد تحويل المد باستخدام البيولوجيا التركيبية. ومن خلال هندسة الدوائر الجينية إلى "اتحاد" بكتيري، قام الفريق بإعادة برمجة سلالتين ليس فقط لتدمير المواد البلاستيكية الملوثة - ولكن أيضًا لتحويل النفايات السامة إلى مواد مفيدة قابلة للتحلل الحيوي. يمكن استخدام هذه المواد البلاستيكية المُعاد تدويرها، وهي صديقة للبيئة ومتعددة الاستخدامات، لتصنيع الرغاوي أو المواد اللاصقة أو حتى النايلون - كل ذلك دون فرض ضرائب إضافية على البيئة.
قال المؤلفون إن الاستراتيجية لا تقتصر فقط على مادة البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) - أحد أكثر أنواع البلاستيك شيوعًا - التي تم اختبارها في الدراسة. "من المحتمل أن يكون المفهوم والاستراتيجيات الأساسية قابلة للتطبيق ... على أنواع أخرى من المواد البلاستيكية" ويمكن أن تبدأ في إضاءة الطريق نحو "اقتصاد حيوي مستدام".
مفترس بلاستيكي طبيعي
ساعد البلاستيك في بناء المجتمع الحديث. مصنوعة من سلاسل جزيئية تسمى البوليمرات، وهي مرنة ومتعددة الاستخدامات واقتصادية لإنتاجها بكميات كبيرة. ومن المعروف أيضًا أنه من الصعب تحطيمه.
بالنسبة للدكتور جيمس كولينز من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يمكن للبيولوجيا الاصطناعية أن تساعدنا على تجنب تحويل الكوكب إلى أرض قاحلة بلاستيكية. رواد هندسة دوائر الجينات الاصطناعية، مؤلفو الدراسة كولينز والمهندس الحيوي الدكتور تينغ لو في جامعة إلينوي أوربانا شامبين، فكروا في أن البكتيريا المعدلة وراثيا يمكنها معالجة اللغز البلاستيكي بشكل مباشر.
على الرغم من أنه سام لمعظم الكائنات الحية، إلا أن البلاستيك هو مصدر طاقة لأنواع معينة من البكتيريا والفطريات. توجد هذه البكتيريا في التربة والمحيطات وحتى في أحشاء الحيوانات الانزيمات المتخصصة لتكسير أنواع مختلفة من البلاستيك. الإنزيمات بروتينات التي تؤدي إلى العمليات البيولوجية أو تسرعها، مما يساعدنا على هضم وجبة دسمة، على سبيل المثال، أو تحويل الطعام إلى طاقة.
لسوء الحظ، هذه السلالات الطبيعية حساسة لدرجة الحرارة والحموضة، وفي كثير من الأحيان لا يمكنه هضم سوى البلاستيك الذي تضرر بالفعل بسبب الأشعة فوق البنفسجية أو المواد الكيميائية. حتى السلالات التي يمكنها تحطيم البلاستيك PET تتطلب أسابيع أو أشهر للقيام بذلك، ويمكنها التعامل مع كميات صغيرة فقط.
ترقية الاصطناعية
وهنا تتألق البيولوجيا التركيبية. يستخدم العلماء في هذا المجال الهندسة الوراثية لإعطاء الكائنات الحية قدرات جديدة - على سبيل المثال، البكتيريا التي يمكنها إنتاج الأنسولين - أو حتى لبناء أشكال حياة جديدة تمامًا لم يسبق لها مثيل في الطبيعة.
قبل الدراسة الأخيرة، قام العلماء برسم خريطة للإنزيمات المتعددة التي تستخدمها البكتيريا لأكل البلاستيك. لقد تلاعبوا بهذه العمليات الأيضية عن طريق إدخال أو حذف المواد الجينية، على سبيل المثال، لتسريع قدراتهم على مضغ البلاستيك أو إضافة إنزيمات تحول النفايات البلاستيكية المهضومة إلى بوليمرات جديدة أكثر مراعاة للبيئة.
لم تكن هذه عملية سلسة. تعمل الطرق القديمة على سلالات بكتيرية واحدة. ولكن عند مواجهة كميات كبيرة من الحطام، غالبًا ما يتم التغلب على البكتيريا. تتراكم القطع المتكسرة من PET داخليًا وتمنع عملية التمثيل الغذائي للميكروبات، مما يؤدي إلى الإضرار بصحتها.
ثم هناك الحدبة التكنولوجية. يتطلب تحويل النفايات البلاستيكية إلى منتجات قابلة للاستخدام هندسة وراثية معقدة. ولتحقيق ذلك، أوضح الفريق أنهم بحاجة إلى بناء "مسارات تصميمية متقدمة" تربط بين إنزيمات متعددة لإنتاج المنتج النهائي. مثل توجيه سيمفونية جينية، تطلبت هذه الترقية الاصطناعية ضبطًا دقيقًا في جميع أنحاء العمل الخلوي الداخلي للبكتيريا، وهو إنجاز صعب بما فيه الكفاية عند التعامل مع سلالة واحدة.
ومع ذلك، فقد تساءلوا عما إذا كانت سلالة واحدة لا تستطيع القيام بهذه المهمة بكفاءة. ماذا عن العمل الجماعي؟
تقسيم العمل
وقال الفريق: في الطبيعة، نرى أن المجتمعات الميكروبية متعددة الأنواع تعمل معًا في التحلل الحيوي للبلاستيك. لذلك قاموا بتوسيع القوى العاملة البكتيرية من سلالة اصطناعية واحدة إلى نظام بيئي بسيط مكون من سلالتين.
في قلب هذا النظام البيئي يوجد تقسيم للعمل. ينقسم PET إلى مكونين رئيسيين - حمض التريفثاليك وجلايكول الإيثيلين - بخصائص مختلفة إلى حد كبير. مصادر الغذاء المختلطة هي كعب أخيل للميكروبات: فهي تقوم بمهام أيضية متعددة فظيعة، حيث أن مسارات تحلل جزيء واحد غالبًا ما تقمع تلك الموجودة في جزيء آخر.
هنا، قام الفريق ببناء الثنائي الديناميكي الخاص بهم من سلالتين من بكتيريا Pseudomonas putida، وهي بكتيريا على شكل شيتوس غالبًا ما توجد في المياه الملوثة والتربة. كانت إحدى السلالتين تحتويان على طعم حمض التريفثاليك، بينما تحتوي الأخرى على طعم جلايكول الإثيلين. يعد هذا النوع من البكتيريا مفضلاً في أبحاث التحلل الحيوي، لأنه يهضم بشكل طبيعي الجزيئات العطرية مثل الستايرين، والذي يستخدم على نطاق واسع لصنع البلاستيك والمطاط. ومن السهل أيضًا التلاعب بها وراثيًا ويمكنها التكيف مع مسارات التمثيل الغذائي الجديدة، مما يجعل السلالة نقطة انطلاق مثالية.
في كل سلالة طبيعية، قام الفريق بحذف الجينات المشاركة في استقلاب حمض التريفثاليك أو جلايكول الإيثيلين وأضاف الجينات التي سمحت لهم باستهلاك المكون الآخر.
وكانت النتيجة فريقًا بكتيريًا. كل منهما يتمتع بكفاءة عالية في تناول منتجات النفايات البلاستيكية الخاصة به، كما تعاون بشكل جيد عند تربيته معًا - ولم تمنع أي من السلالتين النظام الغذائي للآخر. كلاهما تمسك بمصدر طعامهما وازدهرا بسعادة جنبًا إلى جنب.
وعلى سبيل المقارنة، قام الفريق أيضًا بتصميم سلالة متعددة المهام تأكل المنتجات البلاستيكية الثانوية. بالمقارنة مع فريق العلامات المتخصص، استغرقت السلالة الواحدة وقتًا أطول بكثير لهضم النفايات سواء بشكل فردي أو عند تقديمها كمزيج.
سلة المهملات إلى الكنز
والآن بعد أن تمكنت البكتيريا من هضم النفايات البلاستيكية بشكل كامل، قام الفريق بعد ذلك بدمج عدة جينات لتحويلها إلى مواد جديدة.
أولاً، قاموا بإعادة توصيل السلالتين لإنتاج بوليمر واعد للغاية وقابل للتحلل. عملت الاستراتيجية بشكل جيد للغاية. وفي اختبار واحد استمر لأكثر من أربعة أيام، قامت السلالتان بضخ البوليمر المطلوب بمعدل أعلى بكثير من السلالة الواحدة، مما أدى إلى إنتاج ما يصل إلى 92% منه نتيجة لذلك.
وفي اختبار آخر، أنتج النظام بكفاءة مادة كيميائية تستخدم غالبًا لتصنيع البلاستيك والنايلون، وهي مادة يصعب على السلالات الفردية إعادة تدويرها باستخدام النفايات البلاستيكية. كل ما يتطلبه الأمر هو عدد قليل من المقايضات الجينية، ويؤدي تقسيم العمل إلى إنتاج المادة الكيميائية المستهدفة بسهولة.
على فكرة إعادة تدوير النفايات البلاستيكية ليست جديدة. في الماضي، استخدم العلماء الحرارة والقوة والمواد الكيميائية لتحليل النفايات وإعادة بنائها إلى مواد قابلة للاستخدام. يقدم التحويل الحيوي مسارًا جديدًا وأكثر نظافة وكفاءة. تتم جميع التفاعلات داخل الميكروبات، مما يربط تحلل النفايات مباشرة بالمنتج المطلوب في خطوة واحدة. من السهل أيضًا زراعة الميكروبات في أحواض ذات حجم صناعي، مما يجعل من الممكن توسيع نطاق إعادة تدوير البلاستيك.
تعمل الدراسة على تطوير هذه الرؤية لإعادة التدوير الحيوي من خلال جعل العملية أكثر كفاءة.
وقال الفريق إن إحدى الأفكار الرئيسية للدراسة هي أن تقسيم العمل مهم بشكل خاص لضبط عملية إعادة تدوير مادة PET. ومع تطور الأدوات، يعتقدون أن النظم البيئية البكتيرية الاصطناعية يمكن استخدامها لمعالجة الملوثات البلاستيكية الأخرى والنفايات أيضًا.
الصورة الائتمان: مارك نيوبيري / Unsplash
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://singularityhub.com/2023/09/29/these-bacteria-eat-plastic-waste-and-then-transform-it-into-useful-products/
