חוקרים פיענחו אנזים חיידקי החיוני לפירוק סטירן, יסוד המשמש בייצור בנפח גבוה של פוליסטירן, שבאופן מסורתי חסר שיטות מיחזור ביוטכנולוגיות.
לימוד תפקידו של אנזים חיידקי מסוים סלל את הדרך לפירוק ביוטכנולוגי של סטירן.
פוליסטירן, המורכב מיחידות סטירן, הוא הפלסטיק הנפוץ ביותר בנפח, שנמצא לרוב בחומרי אריזה. שלא כמו PET, שניתן לייצר וגם למחזר בשיטות ביוטכנולוגיות, פוליסטירן הייצור נשאר כימי לחלוטין. בנוסף, סוג זה של פלסטיק לא ניתן לפירוק באמצעים ביוטכנולוגיים.
חוקרים מחפשים דרכים לתקן זאת: צוות בינלאומי בראשותו של ד"ר שיאודן לי ממכון פול שרר, שוויץ, בשיתוף פרופסור דירק טישלר, ראש קבוצת המחקר של ביוטכנולוגיה מיקרוביאלית באוניברסיטת רוהר בוכום, גרמניה, פיענח אנזים חיידקי הממלא תפקיד מפתח בפירוק סטירן. זה סולל את הדרך ליישום ביוטכנולוגי. החוקרים פרסמו את ממצאיהם בכתב העת כימיה של הטבע במאמר שפורסם ב-14 במאי, 2024.
סטירן בסביבה
"כמה מיליוני טונות של סטירן מיוצרים ומובלים מדי שנה", אומר דירק טישלר. "בתהליך, חלק ממנו גם משתחרר ללא כוונה לסביבה." עם זאת, זהו אינו המקור היחיד של סטירן בסביבה: הוא מופיע באופן טבעי בזפת פחם ובזפת ליגניט, יכול להופיע עקבות בשמנים אתריים מצמחים מסוימים ונוצר במהלך פירוק חומר צמחי. "לכן אין זה מפתיע שמיקרואורגניזמים למדו לטפל בו או אפילו לבצע חילוף חומרים", אומר החוקר.
דירק טישלר היה חלק מצוות מחקר בינלאומי. קרדיט: RUB, Marquard
מהיר, אך מורכב: פירוק סטירן חיידקי
חיידקים ופטריות, כמו גם גוף האדם, מפעילים סטירן בעזרת חמצן ויוצרים תחמוצת סטירן. בעוד שסטירן עצמו רעיל, תחמוצת סטירן מזיק אפילו יותר. חילוף חומרים מהיר הוא אפוא מכריע. "בחלק מהמיקרואורגניזמים וגם בגוף האדם, האפוקסיד שנוצר בתהליך זה עובר בדרך כלל צימוד גלוטתיון, מה שהופך אותו למסיס יותר במים וקל יותר לפירוק והפרשה", מסביר דירק טישלר. "התהליך הזה מהיר מאוד, אבל גם יקר מאוד עבור התאים. יש להקריב מולקולת גלוטתיון עבור כל מולקולה של תחמוצת סטירן".
היווצרות מצומד הגלוטתיון והאם, או ליתר דיוק איך, ניתן לשחזר גלוטתיון היא חלק מהמחקר הנוכחי בבית הספר לתארים מתקדמים MiCon באוניברסיטת רוהר בוכום, במימון קרן המחקר הגרמנית (DFG). כמה מיקרואורגניזמים פיתחו גרסה יעילה יותר. הם משתמשים בחלבון ממברנה קטן, כלומר סטירן אוקסיד איזומראז, כדי לפרק את האפוקסיד.
איזומרזים של תחמוצת סטירן יעילים יותר
"גם לאחר ההעשרה הראשונה של סטירן אוקסיד איזומראז מחיידק הקרקע Rhodococcus, ראינו את צבעו האדמדם והראינו שהאנזים הזה קשור בקרום", מסביר דירק טישלר. במהלך השנים, הוא וצוותו חקרו אנזימים שונים של המשפחה והשתמשו בהם בעיקר בביוקטליזה. לכל האיזומרזות הללו של סטירן אוקסיד יש יעילות קטליטית גבוהה, מהירים מאוד ואינם דורשים חומרים נוספים (קו-סובסטרטים). לכן הם מאפשרים ניקוי רעלים מהיר של תחמוצת סטירן רעילה בגוף וגם יישום ביוטכנולוגי חזק בתחום הסינתזה הכימית העדינה.
"כדי לייעל את האחרון, אנחנו צריכים להבין את תפקידם", מציין דירק טישלר. "עשינו התקדמות ניכרת בתחום זה בשיתוף הפעולה הבינלאומי שלנו בין חוקרים משוויץ, סינגפור, הולנד וגרמניה". הצוות הראה שהאנזים קיים בטבע כטרימר בעל שלוש יחידות זהות. הניתוחים המבניים גילו שיש קו-פקטור heme בין כל תת-יחידה ושהוא טעון ביון ברזל. ה-heme מהווה חלק חיוני מהכיס האקטיבי כביכול והוא רלוונטי לקיבוע והמרה של המצע. יון הברזל של קופקטור ההמה מפעיל את המצע על ידי תיאום החמצן אָטוֹם של תחמוצת סטירן. "משמעות הדבר היא שתפקוד ביולוגי חדש של heme בחלבונים תואר באופן מקיף", מסכם דירק טישלר.
