מערכת מיקרוביאלית מהונדסת הופכת פלסטיק מושלך לטיפול בפרקינסון בחזית, ומציעה הצצה לעתיד שבו הפסולת הופכת לתרופה.
מחקר: מחזור מיקרוביאלי של פסולת פלסטיק ללבודופה. קרדיט תמונה: jmcatholic / Shutterstock
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת קיימות הטבעחוקרים מדגימים את ההנדסה המוצלחת של תהליך ביולוגי ל"מחזור" של פולי(אתילן טרפתלט) (לְלַטֵף) לתוך levodopa (L-DOPA), תרופה חזיתית למחלת פרקינסון (PD). החוקרים שינו Escherichia coli להמיר מונומרים שמקורם בפלסטיק לתרופות בעלות ערך גבוה בתנאים מימיים קלים.
המחקר התגבר על מכשולים ביוכימיים משמעותיים הכרוכים בהובלה תאית ועיכוב אנזימים על ידי הפרדת התהליך בין שני זנים מיקרוביאליים שיתופיים. הממצאים חשפו טיטר ייצור גבוה של 5.0 גרם ל'-1 במערכת הכנה דו-שלבית אופטימלית. גישה זו מציעה דרך פוטנציאלית בר-קיימא יותר מאשר סינתזה כימית או כימו-אנזימטית רגילה שמקורה בדלק מאובנים, אם כי היא נותרה הוכחה לקונספט ולא תהליך תעשייתי מותאם לחלוטין.
משבר פסולת פלסטיק ואתגרי כימיה בת קיימא
התעשייה הכימית המודרנית, במיוחד התרופות, בנויה על בסיס של משאבי מאובנים סופיים, מודל שלמרות הצלת מיליוני חיים, הוא מטבעו לא בר-קיימא ומזיק לסביבה. במקביל, הביוספרה נמצאת במתח הולך וגובר מהייצור וההצטברות העולמית של פלסטיק שמקורו בעיקר בדלקים מאובנים.
דוחות סביבתיים מצביעים על כך שמיוצרים למעלה מ-400 מיליון טון פלסטיק מדי שנה, מתוכם כ-360 מיליון טון מסתיימים כפסולת. רוב הפסולת הזו נשלחת למזבלות או נשרפת, וכתוצאה מכך אובדן פחמן יקר ופליטות גזי חממה משמעותיות. בעוד שקיים מיחזור מסורתי, החוקרים מתמקדים יותר ויותר ב"אופטימיזציה", בהמרת פסולת למוצרים בעלי ערך גבוה יותר, כמסלול בר-קיימא יותר לעבר כלכלה מעגלית.
Levodopa (L-DOPA) הוא טיפול בשימוש נרחב במחלת פרקינסון. הייצור המסחרי שלו מסתמך בדרך כלל על סינתזה כימית או כימו-אנזימטית שמקורה בדלק מאובנים, שלעתים קרובות כרוכה בתנאים קשים ומייצרת פסולת משמעותית.
למרות שהייצור הביולוגי של L-DOPA מגלוקוז או חומצות אמינו נחקר, גישות אלו מראות לעתים קרובות יעילות נמוכה ומתמודדות עם אתגרים עבור מדרגיות תעשייתית.
גישות למיחזור, מחזור וסילוק סביבתי של פסולת פלסטיק PET, לרבות מחזור ביולוגי המוצע של פסולת PET לתרופות פרקינסון l-DOPA בחיידקים מהונדסים. אנוכחי: מיחזור במעגל סגור. בעבודה זו: מיחזור מיקרוביאלי. קרדיט: צילומים ב אRawpixel (https://www.rawpixel.com); סמל חיידק ב בBioicons (https://bioicons.com).
מהונדס E. coli מסלול להמרה פלסטית
מטרת המחקר הייתה להתגבר על מגבלות אלו על ידי מינוף אסטרטגיות ביו-הנדסה להמרת פסולת פלסטיק למוצר טיפולי מורכב. הגישה התמקדה בחומצה טרפתלית (TPA), מונומר שמקורו בפירוק PET.
החוקרים תכננו מסלול ביו-סינתטי בן ארבעה שלבים דה נובו הכולל שבעה גנים, שהוכנסו לתוך Escherichia coli BL21(DE3). בדיקה ראשונית גילתה שני צווארי בקבוק עיקריים.
ראשית, החיידקים נאבקו להעביר TPA על פני ממברנות התא ב-pH ניטרלי. זה טופל על ידי ביטוי חלבון הטרנספורטר TpaK ממנו Rhodococcus jostiiמה ששיפר משמעותית את הספיגה.
שנית, מסלול ביניים, פרוטוקטשואט (PCA), עיכב את האנזים הסופי, טירוזין-פנול ליאז (TPL), באמצעות עיכוב משוב. ניסויים במבחנה הראו כי ריכוזי PCA מעל 2 mM ביטלו ייצור L-DOPA שניתן לזהות, בעוד שמערכות תאים מלאים הראו ירידה ביעילות ההמרה מ-80% ל-0% מעל 1 mM PCA.
אתגר זה התגבר על ידי פיצול המסלול בין שני זנים מיקרוביאליים. זן אחד הופך את TPA לקטכול, ואילו השני הופך את הקטכול ל-L-DOPA.
המערכת נבדקה גם תוך שימוש בפסולת מהעולם האמיתי, כולל רדיד החתמה חמה תעשייתית (HSF) ובקבוקי פלסטיק לאחר הצריכה. בנוסף, המיקרו אצה Chlamydomonas reinhardtii שימש ללכידת פחמן דו חמצני (מְשׁוּתָף2) שנוצרו במהלך התהליך, התומכים במחזור ייצור פחמן ניטרלי.
תוצאות ניסוי ומדדי יעילות ייצור
המערכת המהונדסת השיגה טיטר L-DOPA של 5.0 גרם ל'-1המקביל ליעילות המרה של 84% מפסולת תעשייתית בזרימת עבודה דו-שלבית אופטימלית באמצעות TPA שמקורו בנייר כסף. התוספת של טרנספורטר TpaK שיפרה משמעותית את ההמרה של TPA ל-PCA ב-pH ניטרלי.
שילוב C. reinhardtii CO מופחת2 רמות בחלל הראש של התרבות לרמות בלתי ניתנות לזיהוי תוך 12 שעות, המדגימות את השילוב של תוצרי לוואי מטבוליים בביומסה בתנאי ניסוי.
שימוש ב-TPA שמקורו בבקבוק PET שהושלך הביא לשיעור המרה של 49%. בניסויים נפרדים עם TPA שמקורו בנייר כסף, התהליך הניב 193 מ"ג של L-DOPA כמלח מוצק, המקביל למספר מינונים קליניים למחלת פרקינסון בשלב מוקדם.
השלכות על תרופות בר קיימא ומגבלות
מחקר זה מספק הוכחה לכך שפסולת פלסטיק ניתנת להמרה לתרכובות פרמצבטיות יקרות ערך, תוך הדגשת אסטרטגיה פוטנציאלית לטיפול הן בזיהום הסביבה והן בייצור תרופות בר קיימא.
עם זאת, נדרשת אופטימיזציה נוספת לפני יישום תעשייתי. תחומי מפתח כוללים משקעים ישירים של L-DOPA ממרק תסיסה, הסרת מזהמים שיוריים מזרמי פסולת פלסטיק, אינטגרציה גנומית של גנים של מסלול כדי למנוע את הצורך בבחירת אנטיביוטיקה, ופיתוח נוסף של CO אצות2 מערכות לכידה.
