اكتشف العلماء إنزيمًا قويًا يأكل البلاستيك مختبئًا في كومة سماد عادية

يقوم إنزيم موجود في السماد بتحليل كميات صغيرة من رغوة البولي يوريثان في الاختبارات المعملية، مما يوفر دليلًا مبكرًا نحو طرق أكثر لطفًا لإعادة تدوير البلاستيك العنيد.

من الصعب إعادة تدوير مادة البولي يوريثين المستخدمة في رغوة المراتب ونعال الأحذية وعزل الثلاجة على نطاق صناعي. إن حصة كبيرة جدًا من ملايين الأطنان المترية المنتجة في جميع أنحاء العالم ينتهي بها الأمر في مدافن النفايات أو المحارق، مما يؤدي إلى أخذ مواد يمكن إعادة استخدامها معها.

يمثل النايلون تحديا مماثلا. يُستخدم في الملابس والحقائب والسيارات والحبال ومكونات المحركات وشباك الصيد، وهو نوع آخر من البلاستيك المصنوع من النفط الخام، وهو مورد محدود. يريد الباحثون تفكيك كلتا المادتين إلى مكوناتهما النقية بحيث يمكن أن تتحول هذه المكونات إلى مادة البولي يوريثين والنايلون الجديدة. تحرز الأساليب الكيميائية والبيولوجية تقدمًا، لكن الحلول الناشئة من المختبرات ليست جاهزة بعد للاستخدام الصناعي.

ذهب باحثون من جامعة آرهوس والمعهد التكنولوجي الدنماركي للبحث عن المساعدة بين البكتيريا. استغرق بحثهم مكب نفايات كيني، وحديقة حيوانات استوائية، وأحشاء يرقات عثة الشمع، وكومة سماد بالقرب من آرهوس. وجاء المرشح الأفضل من السماد، حيث تنتج البكتيريا إنزيمًا يتمتع بقدرة يمكن أن تكون مفيدة خارج نطاق الكومة.

جمع الباحثون البكتيريا من البيئات الملوثة بالبلاستيك، بما في ذلك حديقة الحيوان الاستوائية، ومكب النفايات في كينيا، والسماد، وأمعاء اليرقات. وباستخدام مجسات الفلورسنت وفرز الخلايا المنشطة بالفلورسنت (FACS)، عزلوا البكتيريا القادرة على شق الروابط الكيميائية الموجودة في البولي يوريثين والنايلون. تمت بعد ذلك تنقية الإنزيمات النشطة وتحديدها باستخدام التحليل اللوني ومقايسات النشاط وقياس الطيف الكتلي. في المجمل، حدد الباحثون 10 إنزيمات مُحللة للبولي يوريثان واثنين من الإنزيمات المُحللة للنايلون. الائتمان: روزي جراهام / Angewandte Chemie

الإنزيمات هي بروتينات تعمل على تسريع التفاعلات الكيميائية. للعثور على تلك التي يمكنها تفكيك البلاستيك، يبحث الباحثون تقليديًا في قواعد بيانات الجينوم عن تسلسلات جينية تشبه تلك الخاصة بالإنزيمات المعروفة بالفعل بأنها تقوم بهذه المهمة. وقد أسفر هذا النهج عن إنزيمات مفيدة، ولكن هناك عدد قليل نسبيًا من الأمثلة المعروفة لتوجيه البحث.

استخدم هذا الفريق التنقيب البيولوجي، وهو ما يعني البحث في الطبيعة عن الكائنات الحية والمواد الوراثية التي يمكن أن تكون مفيدة في البحث أو الصناعة. كانت هذه هي المرة الأولى التي يبحث فيها الباحثون على هذا النطاق الواسع وعبر مثل هذه البيئات المتنوعة عن إنزيمات قادرة على تحليل البولي يوريثان، المعروف أيضًا باسم PUR، والنايلون.

من مكب النفايات الكيني إلى السماد

جاءت الفكرة إلى أندرياس موليبيرغ بينما كان يستعد لبدء منصب ما بعد الدكتوراه في ما كان يُعرف آنذاك بمركز علوم النانو متعدد التخصصات (iNANO) في جامعة آرهوس. كان ينضم إلى مشروع جديد يبحث فيما إذا كانت الإنزيمات الطبيعية قادرة على تفكيك البلاستيك. موليبيرج، المؤلف المشارك للدراسة الناتجة، والتي نشرت مؤخرا في الكيمياء التطبيقيةكان مسؤولاً عن جمع البكتيريا من بيئات مختلفة.

يقول: “اقترحت البحث عن إنزيمات مناسبة في الأماكن التي يكون الجو دافئًا فيها، لأن البكتيريا تزدهر وتنمو بشكل جيد هناك على مدار السنة. ويفضل أن يكون ذلك في مكان يوجد فيه البلاستيك لفترة طويلة. وبعد عام ونصف، كنت على متن طائرة متوجهة إلى كينيا، أعقب ذلك نصف ساعة على ظهر دراجة نارية لأحد الطلاب المحليين في الطريق إلى مكب النفايات الضخم. لقد ساعدني في جمع العينات والتواصل مع مئات الأشخاص الذين يعيشون داخل وخارج مكب النفايات”.

سافر موليبيرج وطالب الدكتوراه والمؤلف المشارك مالثي كيار بندتسن أيضًا مسافة 34 كيلومترًا، أي حوالي 21 ميلًا، لجمع النفايات البلاستيكية في حديقة حيوان راندرز ريجنسكوف الاستوائية. اشترى Møllebjerg كيسًا من يرقات عثة الشمع من متجر أغذية الحيوانات الأليفة حتى يتمكن الفريق من فحص الإنزيمات من البكتيريا الموجودة في أمعائها. وفي مركز إعادة التدوير على بعد حوالي 10 كيلومترات، أو 6 أميال، من الجامعة، جمع مجرفة مليئة بالسماد.

تكشف البكتيريا المتوهجة عن إنزيمات تحلل البلاستيك

أعطت هذه العينات للباحثين ملايين البكتيريا لفحصها. يتطلب العثور على إنزيم مفيد أكثر من مجرد إظهار قدرة البكتيريا على التفاعل مع بديل مختبري مناسب للبلاستيك.

يوضح بيندتسن: “كان الأمر أشبه بصاروخ ثلاثي المراحل، حيث قمنا بتضييق نطاقها تدريجيًا. بدأنا بإيجاد بكتيريا يمكنها تحطيم مادة نموذج الفلورسنت. ثم عزلنا الإنزيمات القادرة على تحطيم تلك المادة الفلورية بالضبط. وأخيرًا، اختبرنا الإنزيمات على مواد واقعية بشكل متزايد”.

يُظهر هذا الفيديو بفاصل زمني مدته 90 ساعة التحلل الأنزيمي لجزيئين مختلفين يحاكيان النايلون. تظهر القارورة الثانية والرابعة CCPUR1 وهو يكسر الجزيئين، بينما تظهر القارورة الأولى والثالثة إنزيمًا غير نشط. مصدر الصورة: صامويل بينيا دياز، جامعة آرهوس، وأندرياس سومرفيلدت، المعهد التكنولوجي الدنماركي

في الفحص الأولي، قام الباحثون بخلط البكتيريا مع جزيئات مصممة لتقليد الروابط الكيميائية في البولي يوريثين والنايلون. أضاءت الجزيئات عندما واجهت بكتيريا تحتوي على إنزيم مناسب. باستخدام فرز الخلايا المنشط بالفلورسنت، أو FACS، يمكن للآلة فحص البكتيريا واختيار الخلايا المتوهجة بمعدل يصل إلى 10000 في الثانية.

حدد البحث 29 بكتيريا محللة للبلاستيك و12 إنزيمًا بقدرات متفاوتة على تفكيك البولي يوريثان والنايلون. وكان الإنزيم الواعد هو CCPUR1، من بكتيريا السماد مركبات المخلبات. يأخذ اسمها “CC” من البكتيريا و”PUR” من PURase، وهو اختصار لـ polyurethane hydrolase، وهو إنزيم قادر على تحطيم البولي يوريثين.

أظهر الاختبار على مواد أكثر واقعية إمكاناتها وقيودها. نظرًا لرغوة المراتب المصنوعة من مادة البولي يوريثان في شكل مسحوق، فقد انهارت نسبة CCPUR1 بأقل من 1% في ثلاثة أيام. وهذا يترك فجوة كبيرة بين اكتشاف نشاط الإنزيم واستخدامه لإعادة تدوير البلاستيك على نطاق صناعي.

يساعد السماد في تفسير صلابة الإنزيم

ومع ذلك، كان لدى CCPUR1 العديد من الخصائص المفيدة. إن شق الربط الواسع بشكل غير عادي، وهو أخدود يستوعب فيه المادة التي يعمل عليها، يمنح جزيئات البوليمر الكبيرة مساحة لتناسبها. البوليمرات هي الجزيئات الطويلة التي تشكل البلاستيك. كان الإنزيم أيضًا مستقرًا بشكل خاص، حيث يتحمل درجات الحرارة المرتفعة ومجموعة من المذيبات بشكل أفضل من المرشحين الآخرين.

أصوله في السماد تقدم تفسيرا لتلك القدرات. يحتوي السماد على مواد نباتية عنيدة مثل الشمع واللجنين، ويمكن للإنزيم الذي تطور لتحطيم تلك المواد أن يعمل أيضًا على البلاستيك. يمكن أن تصل درجة حرارة أكوام السماد إلى 80 درجة مئوية، أو 176 درجة فهرنهايت، لذا تحتاج الإنزيمات العاملة هناك إلى استقرار كافٍ لتحمل الحرارة.

وقد عمل الفريق منذ ذلك الحين على تحسين CCPUR1. في دراسة متابعة نُشرت في 11 سبتمبر 2026 في التحفيز الكيميائيتعاون الباحثون مع جامعة بورتو، باستخدام المحاكاة الحاسوبية والتعديلات المستهدفة لتعليمات الحمض النووي لصنع الإنزيم.

وفي غضون ثلاثة أيام، قام الإنزيم المعدل بتكسير حوالي 1.4% من مادة البولي يوريثين الموجودة في الرغوة من نعل الحذاء الحقيقي، دون أي معالجة مسبقة للبلاستيك. استخدمت تلك التجربة مادة مختلفة عن مسحوق رغوة المراتب في الدراسة الأصلية. باحثة ما بعد الدكتوراه روزي جراهام، والتي كانت مسؤولة عن اختبار الإنزيمات على المواد البلاستيكية في المختبر، هي المؤلف الأول لدراسة المتابعة.

إنزيمات مختلفة للمواد البلاستيكية المختلفة

يمكن أن يكون للإنزيمات الـ 11 الأخرى دور أيضًا. إنها تعمل بشكل أفضل على قطع صغيرة من البلاستيك وقد تكمل CCPUR1 في مجموعات العمليات المستقبلية. ونظرًا لأن الإنزيمات انتقائية فيما يتعلق بما تعمل عليه، فإن الباحثين يتصورون استخدام كوكتيل إنزيمي على مراحل. يمكن أولاً تفكيك مادة البولي يوريثين وغسلها، ثم إضافة إنزيمات تحلل النايلون. ولا يمكن للطرق الكيميائية أن تفصل بين تلك المهام بنفس الطريقة.

قد يتطلب جعل هذه العمليات عملية معالجات ميكانيكية وكيميائية تجعل من السهل على الإنزيمات مهاجمة البلاستيك. يعد التحلل الكيميائي للبولي يوريثين والنايلون في حد ذاته مجالًا بحثيًا رئيسيًا، بما في ذلك في جامعة آرهوس. إن حجم التحدي المتبقي هو أحد الأسباب التي تجعل الفريق يقارن إعادة تدوير مادة البولي يوريثين الفعالة بإيجاد الكأس المقدسة.

يقول جراهام: “لكن البحث يسلط الضوء على قوة الإنزيمات. فميزتها الحقيقية عندما يتعلق الأمر بإعادة التدوير هي أنها تعمل في ظل ظروف معتدلة، أي في درجات حرارة وضغوط أقل من تلك المستخدمة في معظم تقنيات إعادة التدوير اليوم”.

المرجع: “التحديد البيئي للإنزيمات الجديدة لتحلل البولي يوريثان والبولي أميد” بقلم مالثي كيار بندتسن، أندرياس موليبيرج، صامويل بينيا دياز، روزي جراهام، نيكولاي كلاوس بيترسن، بيورك نولسوي إيساكسن، ماتياس كارستنسن، مارتن ب. جوهانسن، أندرياس سومرفيلدت، آلان ر. بيترسن، إيدي خاميسي شوما، سيسيلي ريبيرج، توماس ريا ويتنبورن، فيرجينيا جيشورو، هوابينج وانج، كارستن سكافينيوس، ألكسندر ساندال ودانيال إي. أوتزن، 26 يونيو 2026، الطبعة الدولية للكيمياء التطبيقية.
دوى: 10.1002/anie.6159643

يتم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة Novo Nordisk من خلال منحة التحدي NNF22OC0072891 المقدمة إلى مركز EnZync.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.