חלבונים נגד פלסטיק

פלסטיק הוא אחד מסוגי החומרים המזהמים ביותר שקיימים כיום. מוצרי פלסטיק נמצאים בכל מקום: באריזות מזון, כלי מטבח, בגדים ועוד. הבעיה המרכזית היא שהחומרים האלה מתכלים לאט מאוד. השיטה המקובלת כיום לטיפול בפסולת של מוצרים ואריזות מפלסטיק היא הטמנתה באדמה, אך במסגרתה דרושות לפסולת עשרות שנים להתכלות. 

לפי הערכות עדכניות, מאז שנת 1900 ייצרה האנושות כעשרה מיליארדי טונות של פלסטיק, שמתוכן 18-12 אחוז נזנחו ברשות הכלל בלי כל ניסיון לטפל בהם באמצעות הטמנה, שריפה או מִחזור. השיטות הקיימות למִחזור פלסטיק עולות הרבה, צורכות הרבה אנרגיה ומאפשרות למחזר רק חלק קטן מכלל הפסולת. לאורך זמן הפלסטיק הנותר מתפרק לחלקיקי מיקרופלסטיק זעירים שמזהמים את מי הים ואת האוויר שאנו נושמים ועלולות להיות להם השפעות סביבתיות ובריאותיות חמורות.

ייתכן שטכנולוגיה ייחודית שפיתחה לאחרונה קבוצת חוקרים מאוניברסיטת טקסס באוסטין תתרום לשינוי המיוחל. במאמר שפורסם בכתב העת Nature דיווחו החוקרים כי בעזרת שילוב של הנדסה גנטית ובינה מלאכותית הם הצליחו לפתח אנזים שיכול לקצר את תהליך פירוק הפלסטיק מעשרות שנים לשעות בודדות.

השיטות הקיימות למחזור פלסטיק הן יקרות, דורשות אנרגיה רבה ומסוגלות לטפל בפחות מ-10 אחוזים מכלל פסולת הפלסטיק. כדוריות מפלסטיק ממוחזר | Sergey Ryzhov, Shutterstock

פועלים ביולוגיים

חלבונים הם מולקולות שממלאות תפקידים רבים בתהליכים ביולוגיים. אנזימים הם חלבונים שמתמחים בזירוז תגובות כימיות, וכבר כיום יש להם מגוון שימושים תעשייתיים. למשל יצרניות חומרי ניקוי מוסיפות אנזימים שמתמחים בפירוק שומנים לאבקות ונוזלי כביסה ולסבוני כלים כדי לשפר את פעולתם.

רוב סוגי הפלסטיק הם פולימרים – חומרים שמורכבים מהרבה אבני בניין זהות המחוברות זו לזו בשרשראות ארוכות. פוליאתילן טרפתאלט (PET) הוא פולימר סינתטי נפוץ ממשפחת הפוליאסטר, המשמש בין השאר לייצור בקבוקי שתייה קלה וכוסות חד-פעמיות. בסך הכול הוא מרכיב כשמינית מכלל הפסולת המוצקה המיוצרת בעולם כולו.

מטרת החוקרים הייתה לפתח אנזים סינתטי שיוכל להאיץ בצורה משמעותית את פירוקו של ה-PET בחזרה לאבני הבניין שלו, ושיעשה את זה בטמפרטורה נמוכה יחסית, במהירות ובזול. הם התבססו לשם כך על אנזים קיים, שידוע ביכולתו לפרק פלסטיק. הבעיה היא שהאנזים הזה פועל לאט וזקוק לזמן רב כדי למלא את תפקידו. גם גרסאות משופרות שלו, שיכולות לפרק פלסטיק בתוך שעות, מגיעות לרמת פעילות גבוהה רק כשהן מתמודדות עם מוצרי פלסטיק שעברו טיפול מקדים, ובטמפרטורה גבוהה מ-70 מעלות צלזיוס.

כמות עצומה של פסולת פלסטיק מתפרקת לחלקיקי מיקרופלסטיק, שמזהם את האוקיינוסים, האדמה והאוויר. חקר מיקרופלסטיק במעבדה | מקור: Microgen Images, Science Photo Library

בינה מלאכותית לתכנון חלבונים מלאכותיים

אחד הגורמים המשמעותיים שקובעים איך חלבון יפעל, ובכלל זה אנזימים, הוא המבנה התלת-ממדי שלו. חלבונים מורכבים משרשרת של חומצות אמינו, המחוברות זו לזו כמעין חרוזים על שרשרת. לכל חלבון יש רצף מסוים וייחודי של חרוזים, שמסתדרים בדרך כלל במבנה תלת-ממדי ספציפי לחלבון הזה. למרות הצלחות משמעותיות ביכולת לנבא את המבנה התלת-ממדי של חלבונים על סמך ידיעת רצף חומצות האמינו שלהם, בעזרת בינה מלאכותית, עדיין קשה מאוד לחזות איך ישפיע כל שינוי בחומצות האמינו המרכיבות את החלבון על המבנה המרחבי שלו ועל תפקודו.

כדי לתכנן אנזים משופר נעזרו החוקרים בבינה מלאכותית שפיתחו בעבר, שמסוגלת לנבא איך החלפת חומצות אמינו מסוימות בחלבון תשפיע על המבנה שלו ועל תפקודו. בעזרת הכלי הזה הם נתנו למחשב לבחון את כל השינויים האפשריים בחומצות האמינו של האנזים. לאחר מכן בחנו בניסויים את היעילות של 159 גרסאות של האנזים בפירוק פלסטיק, כל אחת עם שינויים אחרים. הגרסה המוצלחת ביותר כללה שינוי של חמש חומצות אמינו לעומת החלבון המקורי. היא הפגינה שיפור של כמעט פי 30 בכמות אבני הבניין של הפלסטיק שהשתחררו לאורך זמן בטמפרטורה של חמישים מעלות צלזיוס.

סרטון המתעד את תהליך פירוק ה-PET לאורך 48 שעות (באנגלית)

שלל סוגי פלסטיק

קיימים המון סוגים של פלסטיק, וגם פלסטיק שמורכב מאותו חומר מעובד לפעמים אחרת ולכן מקבל תכונות אחרות. על כן בחנו החוקרים איך האנזים החדש מפרק PET מיותר מחמישים מוצרים שונים, כולל כמה סוגי בקבוקים, אריזות פלסטיק ובגדים שמכילים פוליאסטר. בכל המקרים, האנזים החדש הראה פעילות הרבה יותר גבוהה מכל החלופות האחרות שקיימות כיום והצליח לפרק בתוך שבוע מוצרים שהתפרקותם בטבע הייתה אורכת שנים רבות.

בנוסף, כדי להמחיש עד כמה השיטה שלהם יעילה במחזור פלסטיק, החוקרים בדקו ומצאו שאפשר להשתמש מחדש בתוצרי הפירוק של האנזים המשופר וליצור מהם עוד פלסטיק בניצולת של 95 אחוז וברמת ניקיון של 97 אחוז.

אומנם פעילותו של האנזים המשופר הומחשה עד כה רק בקנה מידה קטן במעבדה, אך לדברי החוקרים הרחבת השיטה לקנה מידה תעשייתי בהחלט נראית בהישג יד. הביוכימאי אנדרו אלינגטון (Ellington), שהיה בין מובילי המחקר, אף ציין: "העבודה הזאת באמת ממחישה את הכוח הטמון בחיבור בין תחומים שונים – מביולוגיה סינתטית, דרך הנדסה כימית ועד בינה מלאכותית".