शोधकर्ता उत्परिवर्ती एंजाइम बनाते हैं जो प्लास्टिक को पचाते हैं
वैज्ञानिकों के एक अंतरराष्ट्रीय समूह की खोज, जिसमें दो ब्राज़ीलियाई शामिल हैं, सामग्री के कारण होने वाले प्रदूषण को कम करने में मदद कर सकते हैं
वैज्ञानिकों का एक अंतरराष्ट्रीय समूह, जिसमें कैंपिनास विश्वविद्यालय (यूनिकैंप) के दो ब्राजीलियाई भाग लेते हैं, PETase के प्रदर्शन में सुधार करने में कामयाब रहे, एक एंजाइम जो पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट, पीईटी प्लास्टिक को खिलाने में सक्षम है। 2016 में बैक्टीरिया की एक नई प्रजाति में PETase की खोज के बाद, शोधकर्ताओं के समूह ने एंजाइम की संरचना प्राप्त करने और यह समझने के लिए काम किया कि यह कैसे काम करता है। इस प्रक्रिया में, दुर्घटनावश, उन्होंने एंजाइम का एक उत्परिवर्तन पैदा कर दिया, जिसमें पीईटी के लिए और भी अधिक आत्मीयता है - यानी प्लास्टिक को नीचा दिखाने की अधिक संभावना है।
इस काम में व्यावहारिक उपयोग की अपार संभावनाएं हैं, क्योंकि यह अनुमान है कि हर साल 4.8 से 12.7 मिलियन टन प्लास्टिक महासागरों में छोड़ा जाता है - एक संख्या जो केवल बढ़ने की संभावना है। प्लास्टिक, जो ग्रह पर सबसे दूरस्थ समुद्र तटों पर भी जमा हो जाता है, का उपयोग उनके क्षरण के प्रतिरोध के कारण ठीक से किया जाता है, जो कि पर्यावरण के लिए सबसे अधिक खतरा है। जब फेंक दिया जाता है, उदाहरण के लिए, एक पीईटी बोतल, 800 वर्षों तक पर्यावरण में रह सकती है - माइक्रोप्लास्टिक्स की बढ़ती और खतरनाक समस्या के अलावा।
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इस सब के साथ, पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट को पचाने में सक्षम एक एंजाइम की खोज से उत्पन्न महान रुचि को समझना आसान है। पेटेज नाम के इस एंजाइम ने अब प्लास्टिक को नीचा दिखाने की क्षमता बढ़ा दी है। में प्रकाशित एक लेख में नवीनता का वर्णन किया गया था संयुक्त राज्य अमेरिका के राष्ट्रीय विज्ञान अकादमी की कार्यवाही (पीएनएएस)।
यूनाइटेड किंगडम (पोर्ट्समाउथ विश्वविद्यालय) और संयुक्त राज्य अमेरिका (नेशनल रिन्यूएबल एनर्जी लेबोरेटरी) के शोधकर्ताओं के सहयोग से, स्टेट यूनिवर्सिटी ऑफ कैंपिनास (आईक्यू-यूनिकैंप) में रसायन विज्ञान संस्थान के दो शोधकर्ताओं ने शोध में भाग लिया। वे पोस्टडॉक्टोरल छात्र रोड्रिगो लिएंड्रो सिल्वीरा और उनके पर्यवेक्षक, यूनिकैंप मुनीर सालोमो स्काफ में हेड प्रोफेसर और रिसर्च के डीन हैं।
“मुख्य रूप से पेय की बोतलों के निर्माण में उपयोग किया जाता है, पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट का व्यापक रूप से कपड़े, कालीनों और अन्य वस्तुओं के निर्माण में भी उपयोग किया जाता है। अपने शोध में, हमने इस प्लास्टिक को पचाने में सक्षम एंजाइम की त्रि-आयामी संरचना की विशेषता बताई, हमने इसे इंजीनियर किया, इसकी गिरावट शक्ति को बढ़ाया, और हमने दिखाया कि यह पॉलीइथाइलीन-2,5-फुरानेडिकारबॉक्साइलेट (पीईएफ) में भी सक्रिय है। अक्षय कच्चे माल से निर्मित पीईटी के लिए विकल्प, "सिलवीरा ने एगेंसिया एफएपीईएसपी को बताया।
PETase में रुचि 2016 में सामने आई, जब जापानी शोधकर्ताओं के एक समूह ने शोसुके योशिदा के नेतृत्व में बैक्टीरिया की एक नई प्रजाति की पहचान की, आइडियोनेला सैकाइन्सिस, कार्बन और ऊर्जा के स्रोत के रूप में पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट का उपयोग करने में सक्षम - दूसरे शब्दों में, पीईटी पर फ़ीड करने में सक्षम। आज तक, यह इस क्षमता वाला एकमात्र ज्ञात जीव है। यह सचमुच पीईटी पर बढ़ता है।
"पहचानने के अलावा आइडियोनेला सैकाइन्सिस, जापानियों ने पाया कि यह दो एंजाइम उत्पन्न करता है जो पर्यावरण में स्रावित होते हैं। स्रावित एंजाइमों में से एक ठीक PETase था। चूंकि इसमें क्रिस्टलीयता की एक निश्चित डिग्री होती है, पीईटी एक बहुलक है जिसे नीचा दिखाना बहुत मुश्किल है। हम तकनीकी रूप से 'पुनरावृत्ति' शब्द का उपयोग उस संपत्ति को नाम देने के लिए करते हैं जिसे कुछ कसकर पैक किए गए पॉलिमर को गिरावट का विरोध करना पड़ता है। पीईटी उनमें से एक है। लेकिन पेटेज इस पर हमला करता है और इसे छोटी इकाइयों में तोड़ देता है - मोनो (2-हाइड्रॉक्सीएथाइल) टेरेफ्थेलिक एसिड (एमएचईटी)। MHET इकाइयों को तब टेरेफ्थेलिक एसिड [एक दूसरे एंजाइम द्वारा] में परिवर्तित किया जाता है और बैक्टीरिया द्वारा अवशोषित और चयापचय किया जाता है," सिल्वीरा ने कहा।
सभी ज्ञात जीवित चीजें जीवित रहने के लिए जैव-अणुओं का उपयोग करती हैं। Ideonella sakaiensis को छोड़कर सभी, जो मनुष्यों द्वारा निर्मित सिंथेटिक अणु का उपयोग करने का प्रबंधन करता है। इसका मतलब यह है कि यह जीवाणु पिछले कुछ दशकों में हुई एक हालिया विकास प्रक्रिया का परिणाम है। यह एक ऐसे बहुलक के अनुकूल होने में कामयाब रहा जिसे 1940 के दशक की शुरुआत में विकसित किया गया था और केवल 1970 के दशक में औद्योगिक पैमाने पर इस्तेमाल किया जाने लगा। उसके लिए, PETase प्रमुख टुकड़ा है।
"PETase सबसे कठिन हिस्सा करता है, जो क्रिस्टलीय संरचना को तोड़ रहा है और पीईटी को MHET में depolymerizing कर रहा है। दूसरे एंजाइम का काम, जो एमएचईटी को टेरेफ्थेलिक एसिड में बदल देता है, पहले से ही बहुत सरल है, क्योंकि इसका सब्सट्रेट मोनोमर्स द्वारा बनता है, जिसमें एंजाइम की आसान पहुंच होती है क्योंकि वे प्रतिक्रिया माध्यम में फैल जाते हैं। इसलिए, अध्ययन पेटेस पर केंद्रित है", सिलवीरा ने समझाया।
अगला कदम पेटेस का विस्तार से अध्ययन करना था और यह नए शोध का योगदान था। "हमारा ध्यान यह पता लगाने पर था कि पेटेस को कुछ ऐसा करने की क्षमता क्या है जो अन्य एंजाइम बहुत कुशलता से करने में सक्षम नहीं थे। उसके लिए, पहला कदम इस प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचना प्राप्त करना था”, उन्होंने कहा।
"त्रि-आयामी संरचना प्राप्त करने का मतलब है कि मैक्रोमोलेक्यूल बनाने वाले हजारों परमाणुओं में से प्रत्येक के एक्स, वाई और जेड निर्देशांक ढूंढना। हमारे ब्रिटिश सहयोगियों ने एक्स-रे विवर्तन नामक एक प्रसिद्ध और व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक का उपयोग करके यह काम किया," उन्होंने समझाया।
संशोधित एंजाइम बहुलक को बेहतर ढंग से बांधता है
एक बार त्रि-आयामी संरचना प्राप्त हो जाने के बाद, शोधकर्ताओं ने पेटेज की तुलना संबंधित प्रोटीन से करना शुरू कर दिया। निकटतम चीज थर्मोबिफिडा फ्यूस्का जीवाणु से एक कटिनेज है, जो क्यूटिन को नीचा दिखाती है, एक प्रकार का प्राकृतिक वार्निश जो पौधे की पत्तियों को कोट करता है। कुछ रोगजनक सूक्ष्मजीव क्यूटिनेस का उपयोग क्यूटिन बाधा को तोड़ने और पत्तियों में मौजूद पोषक तत्वों को उपयुक्त बनाने के लिए करते हैं।
छवि: PETase संरचना, नीले रंग में, एक PET श्रृंखला (पीले रंग में) के साथ इसकी सक्रिय साइट से जुड़ी हुई है, जहां इसे नीचा दिखाया जाएगा। प्रेस विज्ञप्ति/रोड्रिगो लिएंड्रो सिल्वीरा।
"हमने पाया कि, एंजाइम के क्षेत्र में जहां रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं, तथाकथित 'सक्रिय साइट', पेटेस में क्यूटिनेज के संबंध में कुछ अंतर थे। इसकी एक अधिक खुली सक्रिय साइट है। कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से - और यह वह हिस्सा था जिसका मैंने सबसे अधिक योगदान दिया - हम एंजाइम के आणविक आंदोलनों का अध्ययन करने में सक्षम थे। जबकि एक्स-रे विवर्तन द्वारा प्राप्त क्रिस्टलोग्राफिक संरचना स्थिर जानकारी प्रदान करती है, सिमुलेशन गतिशील जानकारी प्राप्त करना संभव बनाता है और पीईटी गिरावट प्रक्रिया में प्रत्येक एमिनो एसिड की विशिष्ट भूमिका की खोज करता है”, आईक्यू-यूनिकैंप के शोधकर्ता ने समझाया।
अणु गति की भौतिकी इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण और परमाणुओं और तापमान के विशाल सरणी के प्रतिकर्षण के परिणामस्वरूप होती है। कंप्यूटर सिमुलेशन ने हमें बेहतर ढंग से समझने की अनुमति दी है कि PETase PET के साथ कैसे जुड़ता है और कैसे इंटरैक्ट करता है।
"हमने पाया कि पेटेज और क्यूटिनेज में सक्रिय साइट में दो अलग-अलग एमिनो एसिड होते हैं। आण्विक जीवविज्ञान प्रक्रियाओं का उपयोग करते हुए, हम पेटेज में उत्परिवर्तन उत्पन्न करते हैं, इसे क्यूटिनेज में बदलने के उद्देश्य से", सिल्वीरा ने कहा।
"अगर हम ऐसा करने में सक्षम थे, तो हम दिखाएंगे कि PETase PETase क्यों है, यानी हमें पता होगा कि कौन से घटक इसे पीईटी को नीचा दिखाने की ऐसी अजीबोगरीब संपत्ति देते हैं। लेकिन हमारे आश्चर्य के लिए, PETase की अजीबोगरीब गतिविधि को दबाने की कोशिश करके, यानी PETase को क्यूटिनेज में बदलने की कोशिश करके, हम और भी अधिक सक्रिय PETase का उत्पादन करते हैं। हम गतिविधि को कम करना चाह रहे थे और इसके बजाय, हमने इसे बढ़ाया", उन्होंने कहा।
यह समझने के लिए और अधिक कम्प्यूटेशनल अध्ययन की आवश्यकता है कि उत्परिवर्ती PETase मूल PETase से बेहतर क्यों था। मॉडलिंग और सिमुलेशन के साथ, यह देखना संभव था कि पेटेज़ में उत्पन्न परिवर्तन सब्सट्रेट के साथ एंजाइम के युग्मन के पक्ष में हैं।
संशोधित एंजाइम बहुलक को बेहतर ढंग से बांधता है। यह युग्मन ज्यामितीय कारकों पर निर्भर करता है, अर्थात "कुंजी और ताला" प्रकार दो अणुओं के बीच फिट होता है। लेकिन थर्मोडायनामिक कारक भी, यानी एंजाइम और बहुलक के विभिन्न घटकों के बीच बातचीत। इसका वर्णन करने का सुरुचिपूर्ण तरीका यह कहना है कि संशोधित PETase में सब्सट्रेट के लिए "अधिक आत्मीयता" है।
भविष्य के व्यावहारिक अनुप्रयोग के संदर्भ में, टन प्लास्टिक कचरे को नष्ट करने में सक्षम एक घटक प्राप्त करने के लिए, अध्ययन एक बड़ी सफलता थी। लेकिन PETase को PETase बनाने का सवाल अनुत्तरित है।
"क्यूटिनेज में अमीनो एसिड ए और बी होता है। पेटेज में अमीनो एसिड x और y होता है। हम कल्पना करते हैं कि, x और y को a और b में बदलने से, हम PETase को cutinase में बदलने में सक्षम होंगे। इसके बजाय, हम एक बेहतर PETase का उत्पादन करते हैं। दूसरे शब्दों में, दो अमीनो एसिड दो एंजाइमों के अंतर व्यवहार के लिए स्पष्टीकरण नहीं हैं। यह एक और बात है, ”सिलवीरा ने कहा।
चल रहा विकास
Cutinase एक प्राचीन एंजाइम है, जबकि PETase एक आधुनिक एंजाइम है, जो विकासवादी दबाव से उत्पन्न होता है जिसने इसे संभव बनाया है आइडियोनेला सैकाइन्सिस ऐसे वातावरण के अनुकूल होना जिसमें कार्बन और ऊर्जा के स्रोत के रूप में केवल या मुख्य रूप से पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट होता है।
इस बहुलक का उपयोग करने में असमर्थ कई जीवाणुओं में से कुछ उत्परिवर्तन ने एक ऐसी प्रजाति उत्पन्न की जो ऐसा करने में सफल रही। यह जीवाणु दूसरों की तुलना में बहुत अधिक प्रजनन और विकसित होने लगा क्योंकि इसमें पर्याप्त भोजन था। इसके साथ, वह विकसित हुई। कम से कम मानक विकासवादी सिद्धांत द्वारा प्रदान की गई व्याख्या है।
"तथ्य यह है कि हमें एक छोटा सा बदलाव करके बेहतर एंजाइम मिला है, यह दृढ़ता से बताता है कि यह विकास अभी तक पूरा नहीं हुआ है। और भी अधिक कुशल एंजाइम प्राप्त करने की दृष्टि से, अभी भी नई विकासवादी संभावनाओं को समझा और खोजा जाना बाकी है। बेहतर PETase सड़क का अंत नहीं है। यह सिर्फ शुरुआत है, ”सिलवीरा ने कहा।
आवेदन की दृष्टि से अगला कदम प्रयोगशाला से औद्योगिक पैमाने की ओर बढ़ना है। इसके लिए रिएक्टर इंजीनियरिंग, प्रक्रिया अनुकूलन और लागत में कमी से संबंधित अन्य अध्ययन आवश्यक होंगे।
