O enzimă descoperită în bacteriile din sol poate descompune plasticul și antibioticele

Imaginează-ți o bucată de plastic îngropată în solul unei păduri. La suprafață, pare aproape neschimbată. Dar, la microscop, apar mici adâncituri care seamănă cu urmele lăsate de bacterii. Pentru microorganismele din sol, materialul sintetic nu mai este doar un obiect străin, ci o posibilă sursă de hrană.

Pornind de la această observație, o echipă de cercetători a descoperit o enzimă care poate descompune plasticul și anumite antibiotice. Rezultatul, publicat în The ISME Journal, oferă o perspectivă neașteptată asupra modului în care bacteriile se adaptează la materialele create de oameni.

Bacteriile din sol au găsit o cale către un plastic dificil de degradat

Studiul s-a concentrat asupra unui tip de plastic biodegradabil numit LCAP, realizat din molecule cu lanțuri lungi provenite din uleiuri vegetale. Cercetătorii au îngropat mici fâșii din acest material în stratul superior de humus al solului, într-o pădure din grădina botanică a Universității din Konstanz, Germania. Probele au rămas acolo mai mult de un an.

Alegerea locului nu a fost întâmplătoare. În această zonă a solului se desfășoară în mod natural descompunerea celulozei și a altor polimeri vegetali, inclusiv a cutinei, o substanță care contribuie la protejarea suprafeței frunzelor, fiind o componentă a cuticulei. Cercetătorii au vrut să afle dacă microorganismele care participă deja la aceste procese pot utiliza și un poliester biodegradabil.

Imaginile obținute ulterior au arătat că suprafața plasticului era brăzdată de mici cavități, unele asemănătoare unor urme lăsate de bacterii. Pentru echipă, acestea reprezentau un indiciu că microorganismele din sol atacaseră materialul.

Nu orice plastic biodegradabil dispare rapid în natură. Însă, în cazul LCAP, cercetătorii au observat că anumite bacterii pot contribui la degradarea lui, ceea ce a permis identificarea mecanismelor biologice implicate.

O enzimă cu o formă neobișnuit de deschisă

Pentru a afla ce microorganisme se dezvoltaseră pe plastic, cercetătorii au analizat ADN-ul bacteriilor din probe. Astfel au identificat o enzimă pe care au numit-o LCPH1. La prima vedere, proteina semăna cu o clasă de enzime pe care bacteriile le folosesc pentru a dezactiva anumite antibiotice din familia penicilinelor.

Modelarea structurii sale a oferit însă o surpriză. Enzima avea un situs activ neobișnuit de larg și deschis, descris de cercetători printr-o comparație sugestivă cu forma unei guri de tip „Pac-Man” (un joc video de tip labirint). Această configurație îi permite să interacționeze atât cu moleculele plasticului, cât și cu anumite molecule de antibiotice.

În cazul plasticului, LCPH1 descompune legăturile esterice din poliester, eliberând componentele din care este alcătuit materialul. În cazul antibioticelor, enzima poate rupe structuri esențiale pentru activitatea lor, făcându-le incapabile să mai distrugă bacteriile.

Această dublă activitate este ceea ce face descoperirea deosebit de interesantă. Nu este vorba doar despre o enzimă care atacă plasticul, ci despre una care poate acționa asupra a două tipuri de molecule pe care, în mod obișnuit, le-am considera foarte diferite.

Legătura neașteptată dintre plastic și antibiotice

De ce ar avea o bacterie din sol o enzimă capabilă să descompună atât un poliester, cât și antibiotice? Răspunsul nu este încă definitiv, dar cercetătorii au identificat o posibilă explicație în istoria evolutivă a proteinelor. LCPH1 seamănă cu enzimele numite beta-lactamaze, care pot rupe inelul beta-lactamic al unor antibiotice, precum penicilina. Acest mecanism stă la baza unuia dintre modurile prin care bacteriile devin rezistente la anumite medicamente.

În același timp, enzima are caracteristici asemănătoare cu cele ale esterazelor, proteine capabile să descompună legături esterice. Aceste legături se regăsesc și în poliesteri, inclusiv în plasticul LCAP.

Cercetătorii sugerează că LCPH1 ar putea reprezenta un exemplu de adaptare a unei familii de enzime, în care o structură inițial asociată cu degradarea antibioticelor a ajuns să poată acționa și asupra unui material sintetic. Descoperirea nu demonstrează că plasticul a creat această enzimă, dar arată cât de flexibile pot fi mecanismele biologice.

Plasticul nu este doar un deșeu, ci și un habitat pentru microorganisme

În ultimii ani, cercetătorii au început să studieze tot mai atent comunitățile de microorganisme care trăiesc pe suprafața plasticului. Acest mediu, numit plastisferă, poate găzdui bacterii, drojdii și fungi care se atașează de material și formează biofilme.

Plasticul poate transporta însă și alte substanțe. Pe suprafața sa se pot acumula contaminanți chimici, iar comunitățile microbiene care îl colonizează pot conține gene asociate cu rezistența la antibiotice. De aceea, cercetătorii sunt interesați nu doar de modul în care plasticul se degradează, ci și de efectele sale asupra ecosistemelor.

Descoperirea LCPH1 adaugă o nouă piesă acestui puzzle. Ea arată că microorganismele care colonizează plasticul pot avea enzime cu activități multiple, unele dintre ele legate de procese biologice importante pentru sănătatea umană.

Totuși, este importantă o distincție: faptul că o enzimă poate dezactiva anumite antibiotice nu înseamnă automat că plasticul este cauza apariției rezistenței la antibiotice. Studiul identifică o activitate enzimatică și ridică întrebări despre evoluția și răspândirea ei, dar nu demonstrează că plasticul ar fi generat această enzimă sau că ar fi responsabil pentru rezistența la antibiotice în general.

O posibilă direcție pentru reciclarea biologică

Dincolo de implicațiile ecologice, cercetătorii văd în această descoperire și o posibilă direcție pentru viitorul reciclării. Dacă enzimele pot descompune anumite tipuri de plastic în componentele lor, atunci materialele ar putea fi, cel puțin în principiu, transformate în materii prime pentru noi produse.

Dar există o condiție esențială: nu toate materialele plastice sunt la fel. LCAP este un poliester biodegradabil, iar legăturile esterice din structura sa pot fi atacate de enzime. Multe dintre materialele plastice convenționale au însă structuri chimice diferite, mult mai rezistente la degradarea biologică.

De aceea, cercetătorii subliniază importanța dezvoltării unor polimeri care să conțină „puncte de rupere” biochimice, astfel încât să poată fi descompuși mai ușor de microorganisme. În loc să încercăm să facem orice plastic biodegradabil, o strategie mai realistă ar fi să proiectăm materiale care pot fi descompuse de enzime specializate.

Această abordare este încă departe de a rezolva problema poluării cu plastic. Totuși, ea sugerează că soluțiile ar putea veni nu doar din tehnologii industriale, ci și din înțelegerea mai bună a proceselor biologice care au loc deja în natură.

Ce ne spune descoperirea despre viitorul plasticului

Plasticul a fost introdus în cantități mari în mediu abia în ultimele decenii, iar microorganismele au avut relativ puțin timp să se adapteze la el. Cu toate acestea, studiul arată că anumite bacterii pot dezvolta sau utiliza mecanisme capabile să atace poliesteri sintetici mai repede decât se credea.

Pentru cercetători, acest lucru este încurajator. Nu înseamnă că natura va elimina singură munții de deșeuri, ci că există deja procese biologice care ar putea fi valorificate în mod controlat. Înțelegerea lor ar putea ajuta la proiectarea unor materiale mai ușor de reciclat și la dezvoltarea unor metode de degradare biologică mai eficiente.

În același timp, descoperirea LCPH1 ne amintește că relația dintre plastic, microorganisme și sănătatea ecosistemelor este mai complexă decât pare. Un material sintetic poate deveni habitat, sursă de carbon, suport pentru contaminanți și, uneori, țintă pentru enzime cu activități surprinzătoare.

Enzima care descompune plasticul nu este încă o soluție industrială, dar reprezintă o dovadă că natura poate oferi instrumente neașteptate pentru problemele create de oameni. Iar uneori, pentru a găsi aceste instrumente, este suficient să privim mai atent ceea ce se întâmplă în solul de sub picioarele noastre.