یک تیم پژوهشی موفق شده است با مهندسی باکتریها، مواد شیمیایی بهدستآمده از بطریهای پلاستیکی را به یک مسکن رایج داروخانهای به نام پاراستامول تبدیل کند؛ مادهای که بهعنوان ترکیب فعال داروی Tylenol شناخته میشود.
درون فلاسکهای کوچک یک آزمایشگاه در اسکاتلند، این میکروبها ماده اولیه مبتنی بر پلاستیک را با بازدهی نزدیک به ۹۲ درصد به پاراستامول تبدیل کردند.
وقتی بتوان همان مادهای را که عامل آلودگی پلاستیکی است به دارویی نجاتبخش و پرمصرف تبدیل کرد، مسئله آلودگی پلاستیک ناگهان کمتر اجتنابناپذیر به نظر میرسد.
بازیافت پلاستیک به پاراستامول
این پژوهش به رهبری پروفسور استیون والاس از دانشگاه ادینبرو انجام شده است؛ شیمیدانی که بر توسعه فرایندهای ترکیبی شیمی و زیستشناسی تمرکز دارد.
تمرکز اصلی تحقیقات او استفاده همزمان از میکروبها و واکنشهای غیرطبیعی برای تولید داروها و مواد جدید از جریانهای پسماند روزمره است.
امروزه تولیدکنندگان سالانه حدود ۱۲۰ میلیارد پوند پلاستیک PET تولید میکنند. در حال حاضر، بیشتر پاراستامول صنعتی مسیر خود را از پالایشگاههای نفت آغاز میکند، زیرا مواد شیمیایی کلیدی آن از نفت خام مشتق میشوند.
در سراسر جهان، پاراستامول یکی از پرمصرفترین مسکنها محسوب میشود و در بسیاری از شرایط درد بهعنوان درمان خط اول توصیه میشود.
از بطری پلاستیکی تا غذای باکتری
پلاستیک مورد استفاده در این پژوهش پلیاتیلن ترفتالات است؛ پلیاستری رایج که در بطریهای شفاف نوشیدنی و ظروف بستهبندی مواد غذایی کاربرد دارد.
در آزمایشها، تیم پژوهشی ابتدا PET را به قطعات ریز خرد کرد، سپس با استفاده از واکنشهای شیمیایی ملایم آن را به یک مولکول محلول تبدیل نمود.
در مرحله بعد، پژوهشگران یک سویه از باکتری آزمایشگاهی E. coli را مهندسی کردند که بهطور طبیعی قادر به تولید یک ترکیب حیاتی نبود.
از آنجا که این ترکیب در متابولیسم باکتری وجود نداشت، این باکتریها تنها زمانی میتوانستند رشد کنند که مولکول حاصل از پلاستیک را به ماده مغذی موردنیاز خود تبدیل نمایند.
واکنش جدید درون سلولهای زنده
در این مطالعه، پژوهشگران نشان دادند که فسفات موجود درون سلولهای E. coli میتواند یک واکنش شیمیایی غیرمعمول را درون سلولهای سالم فعال کند.
این نوع واکنشها بهعنوان واکنشهای زیستسازگار شناخته میشوند، زیرا میتوانند در سلولهای زنده بدون آسیب رساندن به عملکرد طبیعی آنها انجام شوند.
مرحله کلیدی این پژوهش واکنش شیمیایی موسوم به بازآرایی لوسن است که گروههای اسیدی را به آمینها تبدیل میکند.
محصول این واکنش، اسید پارا-آمینوبنزوئیک است؛ مولکولی کوچک که باکتریها برای ساخت فولات و DNA به آن نیاز دارند.
برای تکمیل این مسیر زیستی، تیم تحقیقاتی دو ژن از قارچها و میکروبهای خاکی به سیستم اضافه کرد تا این ترکیب بتواند درون سلولها به پاراستامول تبدیل شود.
زمانی که این سویه مهندسیشده با مولکول خوراک پلاستیکی مواجه شد، ابتدا ترکیب میانی را تولید کرد و سپس آن را به کمک آنزیمها به پاراستامول نهایی تبدیل نمود.
در بهترین شرایط آزمایشگاهی گزارششده، کل مسیر تبدیل مولکول مبتنی بر PET به پاراستامول کمتر از یک روز تخمیر زمان برد.
پلاستیک، پاراستامول و سلامت
روشهای رایج بازیافت پلاستیک اغلب بطریها را به مواد کمارزشتر تبدیل میکنند یا با سوزاندن برای تولید انرژی، بخش بزرگی از پتانسیل شیمیایی آنها را از بین میبرند.
پژوهشهای اخیر نشان دادهاند که میکروبهای مهندسیشده میتوانند قطعات پلاستیکی را به مواد شیمیایی مفید مانند پلاستیکهای زیستتخریبپذیر یا مونومرهای تخصصی تبدیل کنند.
تفاوت این پژوهش در آن است که مرحله کلیدی واکنش شیمیایی نه توسط آنزیم بلکه بهصورت مستقیم درون محیط کشت انجام میشود.
پاراستامول در فهرست داروهای ضروری سازمان جهانی بهداشت قرار دارد و بخشی از مراقبتهای پایه سلامت محسوب میشود.
در صورت مقیاسپذیر شدن این فرایند، مواد اولیه این داروی پرمصرف میتواند از انباشت زبالههای پلاستیکی تأمین شود، نه از نفت تازه استخراجشده.
استفاده از پسماند بهعنوان منبع کربن برای تولید یک داروی پرمصرف میتواند وابستگی به سوختهای فسیلی را کاهش دهد و به کاهش انتشار آلایندهها کمک کند.
با این حال، برای اثبات برتری این مسیر نسبت به تولید استاندارد، انجام ارزیابیهای چرخه عمر و مطالعات اقتصادی ضروری است.
چالشهای مقیاسپذیری صنعتی
گسترش این سیستم از فلاسکهای آزمایشگاهی به راکتورهای صنعتی نیازمند مدیریت حجم بالای محیط کشت و حفظ سلامت و بهرهوری باکتریهاست.
مهندسان باید روشهایی برای تغذیه مداوم خوراک پلاستیکی، حذف آلایندهها و حفظ شرایط پایدار برای سلولها طراحی کنند.
راکتورهای صنعتی با چالشهایی مانند اختلاف دما، محدودیت اکسیژن و تجمع محصولات جانبی مواجه هستند که میتواند واکنش را متوقف کند یا به سلولها آسیب بزند.
همچنین تولیدکنندگان باید ثابت کنند که پاراستامول حاصل از این روش از نظر خلوص، ایمنی و یکنواختی با نمونههای تولیدشده به روشهای پتروشیمیایی برابری میکند.
ملاحظات ایمنی و مسیر آینده
در این پژوهش از سویههای بیخطر آزمایشگاهی E. coli استفاده شده است که در سیستمهای بسته نگهداری میشوند و هیچ برنامهای برای رهاسازی آنها در محیط وجود ندارد.
پاراستامول تولیدشده از این مسیر از نظر شیمیایی کاملاً مشابه داروهای موجود است و بر اساس همان استانداردها ارزیابی میشود.
از آنجا که واکنش اصلی بدون آنزیم انجام میشود، کنترل دقیق شرایط برای جلوگیری از تشکیل محصولات جانبی در مقیاس صنعتی ضروری خواهد بود.
در نهایت، این پژوهش نشان میدهد که زبالههای پلاستیکی میتوانند به منابع ارزشمند برای تولید داروهای ضروری تبدیل شوند.
نگاه به بطریهای پلاستیکی بهعنوان منابع شیمیایی میتواند سرمایهگذاری در سیستمهای جمعآوری و بازیافت را توجیهپذیرتر کند.
اگرچه این پژوهش هنوز در مرحله آزمایشگاهی قرار دارد، اما نشان میدهد که شیمی، زیستفناوری و بازیافت میتوانند بهصورت یکپارچه برای مدیریت پسماند طراحی شوند.
این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.
اگر به نوآوریهای علمی و آینده بازیافت علاقهمند هستید، این مقاله را به اشتراک بگذارید یا دیدگاه خود را در بخش نظرات بنویسید.
