Bilim insanları 'Pac-Man' enzimini keşfetti: Hem plastiği hem penisilini parçalıyor

Sentetik plastiklerin okyanuslarda birikmesi ve mikroplastik ile nanoplastiklere ayrışması ekosistemleri tehdit ederken, bu malzemelerin üzerinde oluşan 'plastisfer' adlı mikrobiyal yaşam alanlarında yeni bir biyokimyasal mekanizma tespit edildi. Almanya’daki Konstanz Üniversitesi araştırmacıları, belirli polyesterlere ve biyoplastiklere etki eden bir enzimin laboratuvar testlerinde penisilini de parçalayabildiğini gösterdi. 

Geniş ve açık aktif yapısı nedeniyle 'Pac-Man enzimi' adı verilen protein, plastik parçalayan bakterilerin antibiyotik direnci geliştirme potansiyelini de gündeme taşıdı.

BİYOPLASTİKLERİN PARÇALANMA SÜRESİ 

The ISME Journal’da yayımlanan çalışmada biyologlar Harry Lerner ve David Schleheck, kimyager Stefan Mecking’in ekibince geliştirilen uzun zincirli alifatik polyesterlerin (LCAP) mikrobiyal topluluklar tarafından parçalanmasını inceledi.

Lerner, üniversitenin botanik bahçesindeki ormanlık alanda, humus tabakasının yaklaşık 10 santimetre altına LCAP biyoplastik film parçaları gömdüklerini belirtti. Numuneler bir yıl boyunca dokunulmadan bırakıldı. Laboratuvar deneylerinde ise toprağa karıştırılan toz biyoplastiklerin parçalanması, karbondioksit salınımı üzerinden mikrobiyal solunum izlenerek takip edildi.

Kontrol grubundaki selüloz yaklaşık 80 günde parçalanırken, LCAP, PHBV ve PCL biyoplastiklerinin tamamı 250–330 gün içinde parçalandı. Geleneksel yüksek yoğunluklu plastik HDPE’de ise neredeyse hiç bozulma görülmedi.

HÜCRE BOYUTUNDA DELİKLER 

Ormandan çıkarılan LCAP filmlerinin elektron mikroskobuyla incelenmesi, malzeme üzerinde tek bir bakteri hücresinin boyut ve şekline karşılık gelen mikroskobik delikler bulunduğunu ortaya koydu. Araştırmacılar, bakterilerin hücre yüzeyine bağlı plastik depolimeraz enzimleriyle malzemeyi sindirerek bu delikleri bıraktığını belirledi.

Topraktaki mikrobiyal DNA’nın çıkarılıp dizilenmesiyle yapılan metagenom analizlerinde, yalnızca LCAP içeren toprakta belirgin biçimde artan bir gen tespit edildi. Genin, enzimi hücre dışına yönlendiren bir salgılama sinyaline ve hücre zarına sıkıca bağlayan bir lipit çapasına sahip esterazı kodladığı anlaşıldı.

ENZİMİN ÇİFT İŞLEVİ 

Harry Lerner, keşfedilen enzimin esterazlara benzediğini, ancak penisilin gibi antibiyotiklerin beta-laktam halkasını parçalayarak bakterilere direnç kazandıran beta-laktamazlarla da yapısal benzerlik taşıdığını açıkladı.

Laboratuvar testleri, enzimin polyesterleri monomer yapı taşlarına ayırmasının yanı sıra penisilini de parçalayabildiğini doğruladı. Bu çift biyokimyasal işlev, plastik parçalama yeteneği ile antibiyotik direnci arasındaki olası bağlantıya ilişkin bulgu sundu.

PARÇALANABİLİR POLİMER HEDEFİ 

David Schleheck, insanların çevreye kitlesel ölçekte plastik bırakmaya başlamasının üzerinden 50–75 yıl geçtiğini belirterek plastisferin yeni bir yaşam alanı olduğunu vurguladı.

Bakterilerin polyesterleri parçalamaya beklenenden daha hızlı uyum sağladığını ifade eden Schleheck, kalıcı sentetik malzemelerin doğada kendiliğinden yok olmasını beklemek yerine biyolojik olarak parçalanabilir polimerlerin yaygınlaştırılması gerektiğini söyledi. 

Schleheck, bu amaçla LCAP gibi hidrojenlenebilir ester bağlarına sahip malzemelerin kullanımına dikkat çekti.