Svake godine se širom sveta proizvede oko 400 miliona tona plastike, što se povećava za oko 4% godišnje. Emisije koje proizilaze iz njihove proizvodnje su jedan od elemenata koji doprinose klimatskim promenama, a njihovo sveprisutno prisustvo u ekosistemima dovodi do ozbiljnih ekoloških problema.
Jedan od najčešće korišćenih je PET (polietilen tereftalat), koji se nalazi u mnogim ambalažama i bocama za piće. Vremenom, ovaj materijal se troši na sve manje i manje čestice — takozvanu mikroplastiku — što pogoršava ekološke probleme. PET već čini više od 10% globalne proizvodnje plastike, a reciklaža je oskudna i neefikasna.
Sada su naučnici iz Centra za superračunanje u Barseloni—Centro Nacional de Supercomputacion (BSC-CNS), zajedno sa istraživačkim grupama sa Instituta za katalizu i petrohemiju CSIC-a (ICP-CSIC) i Univerziteta Complutense u Madridu (UCM), razvili veštački proteini sposobni da razgrađuju PET mikroplastiku i nanoplastiku i da ih svode na njihove esencijalne komponente, što bi omogućilo njihovo razbijanje ili recikliranje.
Oni su koristili odbrambeni protein iz anemone jagode (Actinia fragacea), kojoj su dodali novu funkciju nakon dizajna koristeći računarske metode. Rezultati su objavljeni u časopisu Nature Catalisis.
„Ono što radimo je nešto poput dodavanja oružja osobi“, objašnjava Viktor Gualar, ICREA profesor na BSC-u i jedan od autora rada. Ove ruke se sastoje od samo tri aminokiseline koje funkcionišu kao makaze sposobne da seku male PET čestice. U ovom slučaju, oni su dodati proteinu iz anemone Actinia fragacea, kojoj ta funkcija u principu nedostaje i koja u prirodi „funkcioniše kao ćelijska bušilica, otvara pore i deluje kao odbrambeni mehanizam“, objašnjava istraživač.
Mašinsko učenje i superkompjuteri kao što je BSC-ov MareNostrum 4 koji se koristi u ovom proteinskom inženjerstvu omogućavaju „predviđanje gde će se čestice spojiti i gde moramo da postavimo nove aminokiseline kako bi one mogle da ispolje svoju akciju“, kaže Gualar. Dobijena geometrija je prilično slična onoj kod enzima PETase iz bakterije Idionella sakaiensis, koja je sposobna da razgradi ovu vrstu plastike i otkrivena je 2016. godine u fabrici za reciklažu ambalaže u Japanu.
Rezultati pokazuju da je novi protein sposoban da razgradi PET mikro- i nanoplastiku sa „efikasnošću između 5 i 10 puta većom od one PETaze koja je trenutno na tržištu i na sobnoj temperaturi“, objašnjava Guallar. Drugi pristupi zahtevaju temperaturu iznad 70 °C da bi plastika postala fleksibilnija za kalupljenje, što dovodi do visoke emisije CO 2 i ograničava njenu primenu.
Pored toga, odabrana je struktura proteina slična porama jer omogućava vodu da prođe i zato što se može pričvrstiti za membrane slične onima koje se koriste u postrojenjima za desalinizaciju. To bi olakšalo njegovu upotrebu u obliku filtera, koji bi „mogli da se koriste u postrojenjima za prečišćavanje za razgradnju onih čestica koje ne vidimo, ali koje je veoma teško eliminisati i koje unosimo“, kaže Manuel Ferer, profesor istraživanja na ICP-CSIC i takođe odgovoran za studiju.
Još jedna prednost novog proteina je što su dizajnirane dve varijante, u zavisnosti od toga gde se nove aminokiseline nalaze. Rezultat je da svaki proizvodi različite proizvode.
„Jedna varijanta temeljnije razgrađuje PET čestice, tako da se može koristiti za razgradnju u postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda. Druga daje početne komponente potrebne za reciklažu. Na taj način možemo prečistiti ili reciklirati, u zavisnosti od potreba“, objašnjava Laura Fernandez Lopez, koja radi na svojoj doktorskoj tezi na CSIC-ovom Institutu za katalizu i petrohemiju (ICP-CSIC).
Trenutni dizajn bi već mogao da ima primene, prema istraživačima, ali „fleksibilnost proteina, poput one višenamenskog alata, omogućila bi dodavanje i testiranje novih elemenata i kombinacija“, objašnjava dr Sara Garsija Linares, sa Univerziteta Complutense u Madridu, koji je takođe učestvovao u istraživanju.
„Ono što tražimo je da kombinujemo potencijal proteina koje pruža priroda i mašinsko učenje sa superkompjuterima kako bismo proizveli nove dizajne koji nam omogućavaju da postignemo zdravo okruženje bez plastike“, kaže Ferer.
„Kompjuterske metode i biotehnologija mogu nam omogućiti da pronađemo rešenja za mnoge ekološke probleme koji utiču na nas“, zaključuje Guallar.
