دانشمندان یک آنزیم قدرتمند پلاستیک خوار را کشف کردند که در یک توده کمپوست معمولی پنهان شده است

آنزیمی که در کمپوست یافت می‌شود، مقادیر کمی از فوم پلی‌اورتان را در آزمایش‌های آزمایشگاهی تجزیه می‌کند و نمونه اولیه‌ای از روش‌های ملایم‌تر برای بازیافت پلاستیک سرسخت را ارائه می‌دهد.

پلی اورتان که در فوم تشک، کف کفش و عایق یخچال استفاده می شود، بازیافت در مقیاس صنعتی بسیار دشوار است. بخش بسیار بزرگی از میلیون ها تن متریک تولید شده در سراسر جهان به محل های دفن زباله یا زباله سوزها ختم می شود و مواد بالقوه قابل استفاده را با خود می برد.

نایلون چالش مشابهی را ارائه می دهد. این پلاستیک دیگری است که از نفت خام ساخته شده و منبعی محدود است که در لباس، کیف، اتومبیل، طناب، اجزای موتور و تورهای ماهیگیری استفاده می شود. محققان می خواهند این دو ماده را به اجزای خالص خود جدا کنند تا این مواد به پلی اورتان و نایلون جدید تبدیل شوند. رویکردهای شیمیایی و بیولوژیکی در حال پیشرفت هستند، اما راه حل های بیرون آمده از آزمایشگاه ها هنوز برای استفاده صنعتی آماده نیستند.

محققان دانشگاه آرهوس و موسسه فناوری دانمارک به دنبال کمک به باکتری ها بودند. جستجوی آنها آنها را به محل دفن زباله کنیا، یک باغ وحش گرمسیری، لارو پروانه مومی و یک توده کمپوست در نزدیکی آرهوس برد. بهترین کاندید از کمپوست بود، جایی که یک باکتری آنزیمی با توانایی تولید می کند که می تواند بسیار فراتر از توده مفید باشد.

محققان باکتری ها را از محیط های آلوده به پلاستیک، از جمله باغ وحش استوایی، محل دفن زباله در کنیا، کمپوست و روده لارو جمع آوری کردند. آنها با استفاده از پروب های فلورسنت و مرتب سازی سلول های فعال شده با فلورسانس (FACS)، باکتری هایی را جدا کردند که قادر به جدا کردن پیوندهای شیمیایی موجود در پلی اورتان و نایلون بودند. سپس آنزیم های فعال با استفاده از کروماتوگرافی، سنجش فعالیت و طیف سنجی جرمی خالص و شناسایی می شوند. در مجموع، محققان 10 آنزیم تجزیه کننده پلی اورتان و 2 آنزیم تجزیه کننده نایلون را شناسایی کردند. اعتبار: رزی گراهام / آنگواندته شیمی

آنزیم ها پروتئین هایی هستند که واکنش های شیمیایی را سرعت می بخشند. برای یافتن مواردی که می‌توانند پلاستیک را تجزیه کنند، محققان معمولاً در پایگاه‌های داده ژنومی توالی‌های ژنی را جستجو می‌کنند که شبیه آنزیم‌هایی است که قبلاً این کار را انجام می‌دهند. این رویکرد آنزیم های مفیدی را به دست آورده است، اما نمونه های شناخته شده نسبتا کمی برای هدایت جستجو وجود دارد.

این تیم از اکتشاف زیستی استفاده می کند که به معنای جستجوی طبیعت برای موجودات و مواد ژنتیکی است که می تواند در تحقیقات یا صنعت مفید باشد. این اولین باری بود که محققان در چنین مقیاس وسیع و در چنین محیط متنوعی به دنبال آنزیم هایی بودند که قادر به تجزیه پلی یورتان هستند که PUR نامیده می شود و نایلون.

از محل دفن زباله کنیا تا کمپوست

این ایده زمانی به ذهن آندریاس مولبرگ رسید که او در حال آماده شدن برای شروع یک موقعیت فوق دکترا در مرکز بین رشته‌ای نانو علوم (iNANO) در دانشگاه آرهوس بود. او در حال پیوستن به پروژه جدیدی بود که بررسی می کرد آیا آنزیم های طبیعی می توانند پلاستیک را تجزیه کنند یا خیر. Møllebjerg، یکی از نویسندگان مطالعه حاصل، اخیراً در Angewandte Chemie، وظیفه جمع آوری باکتری ها از محیط های مختلف را بر عهده داشت.

“پیشنهاد کردم در جاهایی که هوا گرم است به دنبال آنزیم‌های مناسب بگردیم، زیرا باکتری‌ها در تمام طول سال در آنجا رشد می‌کنند و به خوبی رشد می‌کنند. و ترجیحاً جایی که پلاستیک برای مدت طولانی وجود داشته باشد. یک سال و نیم بعد من در هواپیما به کنیا بودم و بعد از آن نیم ساعت پشت موتور سیکلت یک دانش‌آموز محلی در راه به زباله‌دانی بزرگ بیرون رفتم. او می گوید.

Møllebjerg و دانشجوی دکترا و یکی از نویسندگان Malthe Kjær Bendtsen نیز 34 کیلومتر، حدود 21 مایل، برای جمع آوری زباله های پلاستیکی در باغ وحش گرمسیری Randers Regnskov سفر کردند. Møllebjerg کیسه ای از لارو پروانه مومی را از یک فروشگاه مواد غذایی حیوانات خانگی خریداری کرد تا تیم بتوانند آنزیم های باکتری های موجود در روده آنها را مطالعه کنند. او در یک مرکز بازیافت در حدود 10 کیلومتری یا 6 مایلی دانشگاه، یک بیل کامل کمپوست جمع آوری کرد.

باکتری های درخشان آنزیم های تجزیه کننده پلاستیک را نشان می دهند

این نمونه ها میلیون ها باکتری را برای مطالعه در اختیار محققان قرار دادند. یافتن یک آنزیم مفید به چیزی بیش از اثبات اینکه یک باکتری می تواند با یک جایگزین آزمایشگاهی مناسب برای پلاستیک واکنش نشان دهد، نیاز دارد.

Bendtsen توضیح می دهد: “این مانند یک موشک سه مرحله ای بود که به تدریج آنها را باریک کردیم. ما با یافتن باکتری هایی که می توانستند مواد مدل فلورسنت را تجزیه کنند، شروع کردیم. سپس آنزیم هایی را جدا کردیم که قادر به تجزیه دقیقاً همان مواد فلورسنت بودند. در نهایت، آنزیم ها را روی مواد بیشتر و واقعی تر آزمایش کردیم.”

https://www.youtube.com/watch?v=CQ-59_lPnvw
این ویدیوی تایم لپس 90 ساعته تجزیه آنزیمی دو مولکول مختلف را نشان می دهد که شبیه نایلون هستند. ویال‌های دوم و چهارم نشان می‌دهند که CCPUR1 هر دو مولکول را تجزیه می‌کند، در حالی که ویال‌های اول و سوم آنزیم غیرفعال را نشان می‌دهند. با حسن نیت: ساموئل پنیا دیاس، دانشگاه آرهوس و آندریاس سامرفلد، موسسه فناوری دانمارک

برای غربالگری اولیه، محققان باکتری ها را با مولکول های طراحی شده برای تقلید پیوندهای شیمیایی در پلی اورتان و نایلون مخلوط کردند. مولکول ها وقتی با یک باکتری حاوی آنزیم مناسب مواجه شدند، روشن شدند. با استفاده از مرتب‌سازی سلول‌های فعال شده با فلورسانس یا FACS، یک دستگاه می‌تواند باکتری‌ها را غربال کند و سلول‌های درخشان را با سرعت 10000 در ثانیه تشخیص دهد.

در این جستجو 29 باکتری تجزیه کننده پلاستیک و 12 آنزیم با توانایی های متفاوت در تجزیه پلی اورتان و نایلون شناسایی شدند. امیدوارکننده ترین آنزیم CC بود^PUR1، از باکتری کمپوست کمپوست های کلاتوکوکوس. نام آن “CC” از باکتری و “PUR” از PURase گرفته شده است که مخفف پلی یورتان هیدرولاز است، آنزیمی که قادر به تجزیه پلی اورتان است.

آزمایش بر روی مواد واقعی تر، پتانسیل و محدودیت های آن را نشان داده است. فوم تشک پلی اورتان به صورت پودری CC ارائه می شود^PUR1 در سه روز کمتر از 1 درصد کاهش یافت. این امر فاصله قابل توجهی بین کشف فعالیت آنزیم و استفاده از آن برای بازیافت پلاستیک در مقیاس صنعتی باقی می گذارد.

کمپوست به توضیح مقاومت آنزیم کمک می کند

CC^PUR1 با این حال، چندین ویژگی مفید داشت. شکاف اتصال غیرعادی گسترده آن، شیاری که در آن موادی را که روی آن اثر می‌گذارد جای می‌دهد، به مولکول‌های پلیمری بزرگ فضای مناسبی می‌دهد. پلیمرها مولکول های بلندی هستند که پلاستیک ها را می سازند. این آنزیم همچنین پایدار بود و دماهای بالاتر و طیف وسیعی از حلال ها را بهتر از سایر نامزدها تحمل می کرد.

منشا آن در کمپوست توضیحی برای این توانایی ها ارائه می دهد. کمپوست حاوی مواد گیاهی سرسخت مانند موم و لیگنین است و آنزیمی که برای تجزیه این مواد تکامل یافته است می تواند روی پلاستیک نیز کار کند. انبوه های کمپوست می توانند به 80 درجه سانتیگراد یا 176 درجه فارنهایت برسند، بنابراین آنزیم هایی که در آنجا کار می کنند باید به اندازه کافی پایدار باشند تا در برابر گرما مقاومت کنند.

از آن زمان، تیم برای بهبود CC کار کرده است^PUR1. در یک مطالعه پیگیری که در 11 سپتامبر 2026 منتشر شد، ج کاتالیز شیمیاییمحققان با دانشگاه پورتو همکاری کردند و از شبیه سازی های کامپیوتری و ویرایش هدفمند دستورالعمل های DNA برای ایجاد آنزیم استفاده کردند.

در عرض سه روز، آنزیم اصلاح شده حدود 1.4 درصد از فوم پلی یورتان زیره کفش واقعی را بدون عملیات قبلی پلاستیک تجزیه می کند. این آزمایش از ماده متفاوتی نسبت به فوم تشک پودری در مطالعه اولیه استفاده کرد. رزی گراهام، محقق فوق دکترا، که مسئول آزمایش آنزیم ها روی مواد پلاستیکی در آزمایشگاه است، اولین نویسنده این مطالعه بعدی است.

آنزیم های مختلف برای پلاستیک های مختلف

11 آنزیم دیگر نیز ممکن است نقش داشته باشند. آنها روی قطعات کوچک پلاستیک بهترین کار را دارند و می توانند مکمل CC باشند^PUR1 در ترکیب فرآیندهای آینده از آنجایی که آنزیم‌ها آنچه را که روی آن عمل می‌کنند انتخاب می‌کنند، محققان استفاده از کوکتل آنزیمی را در مراحل مختلف پیش‌بینی می‌کنند. پلی اورتان را می توان ابتدا شکسته و شسته و سپس آنزیم های تجزیه کننده نایلون اضافه کرد. روش های شیمیایی نمی توانند این وظایف را به یک شکل جدا کنند.

انجام این فرآیندها ممکن است به درمان های مکانیکی و شیمیایی نیاز داشته باشد که باعث می شود پلاستیک توسط آنزیم ها راحت تر مورد حمله قرار گیرد. تجزیه شیمیایی پلی اورتان و نایلون خود یک زمینه تحقیقاتی مهم از جمله در دانشگاه آرهوس است. مقیاس چالش باقی مانده یکی از دلایلی است که تیم بازیافت کارآمد پلی اورتان را با یافتن جام مقدس مقایسه کرد.

گراهام می‌گوید: “اما این تحقیقات قدرت آنزیم‌ها را برجسته می‌کند. مزیت واقعی آن‌ها در مورد بازیافت این است که آنها در شرایط ملایم کار می‌کنند، به این معنی که در دماها و فشارهای پایین‌تر از آنچه در بیشتر فناوری‌های بازیافت امروزی استفاده می‌شود.”

مرجع: “شناسایی زیست محیطی آنزیم های جدید برای تجزیه پلی اورتان و پلی آمید” توسط Malthe Kjær Bendtsen, Andreas Møllebjerg, Samuel Peña-Díaz, Rosie Graham, Nicolai Claus Petersen, Bjørk Nolsøe Isaksen, Mathias Jommersen, Martina. پترسن، ایدی خمیسی چوما، سیسیلی ریبرگ، توماس ریا ویتنبورن، ویرجینیا گیچورو، هوآبینگ وانگ، کارستن اسکاونیوس، الکساندر ساندال و دانیل ای. اوتزن، 26 ژوئن 2026، Angewandte Chemie International Edition.
DOI: 10.1002/anie.6159643

این کار توسط بنیاد Novo Nordisk از طریق Challenge Grant NNF22OC0072891 به Center EnZync پشتیبانی شد.

هرگز پیشرفتی را از دست ندهید: به خبرنامه SciTechDaily بپیوندید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.