به گزارش خبرگزاری ایمنا، طبیعت میلیونها سال پیش از آنکه انسان نخستین پلاستیک مصنوعی را تولید کند، راهی برای ساخت و تجزیه مواد پلاستیکی زیستتخریبپذیر در اختیار داشته است.
پژوهش جدید دانشمندان موسسه ماکس پلانک برای میکروبیولوژی دریایی در برمن آلمان نشان میدهد بسیاری از جانوران نیز در این چرخه طبیعی نقش دارند و میتوانند ترکیباتی را تجزیه کنند که پیشتر تصور میشد تنها توسط میکروبها قابل مصرف هستند.
این ترکیبات که «پلیهیدروکسیآلکانوات» یا PHA نام دارند، نوعی پلاستیک زیستی هستند که باکتریها و آرکیها بهطور طبیعی درون سلولهای خود تولید و بهعنوان ذخیره کربن و انرژی نگهداری میکنند.
نتایج این پژوهش که در نشریه Nature Ecology & Evolution منتشر شده است، نشان میدهد طیف گستردهای از جانوران از جمله کرمهای دریایی، ستارههای دریایی، کرمهای خاکی و دیگر گونههای خشکیزی، آنزیمهایی دارند که میتواند PHAهای میکروبی را تجزیه کند. این یافته مسیر ناشناختهای را در انتقال کربن ذخیرهشده توسط میکروبها به شبکههای غذایی جانوران آشکار میکند.
سرنخ اصلی این کشف از یک کرم دریایی کوچک به نام Olavius algarvensis به دست آمد؛ جانوری که برخلاف بیشتر حیوانات نه دهان دارد و نه دستگاه گوارش. این کرم حدود دو سانتیمتر طول دارد و برای تأمین مواد غذایی و بازیافت مواد زائد به باکتریهایی وابسته است که در زیر پوست آن زندگی میکنند. تراکم بالای این باکتریهای همزیست موجب شده است بدن کرم ظاهری سفید داشته باشد.
یکی از باکتریهای همزیست این کرم، مقدار بسیار زیادی PHA درون سلولهای خود ذخیره میکند. همین موضوع دانشمندان را به این پرسش رساند که آیا کرم میتواند از این ذخیره غنی کربن و انرژی استفاده کند یا خیر.
«نیکول دوبیلیه»، مدیر مؤسسه ماکس پلانک برای میکروبیولوژی دریایی و نویسنده مسئول پژوهش، میگوید دانشمندان میخواستند بدانند آیا این کرم در طول تکامل راهی برای دسترسی به ذخیره انرژی موجود در باکتریهای همزیست خود پیدا کرده است. پاسخ مثبت بود. پژوهشگران آنزیمی را در بدن کرم شناسایی کردند که قادر است PHAهای میکروبی را به مولکولهای کوچکتری تبدیل کند که برای جانور قابل استفاده هستند.
تصویربرداری با وضوح بالا نیز نشان داد این آنزیم دقیقا در محلی تولید میشود که کرم باکتریهای همزیست خود را هضم میکند. بنابراین به نظر میرسد کرم میتواند مستقیماً به ذخایر PHA موجود در سلولهای باکتریایی دسترسی پیدا کند.
پژوهشگران با بررسی گستردهتر ژنوم جانوران دریافتند آنزیمهای مشابه در بیش از ۶۶ گونه جانوری متعلق به ۹ شاخه مختلف از درخت تکاملی جانوران وجود دارد.
آزمایشهای آزمایشگاهی نیز نشان داد آنزیمهای استخراجشده از جانورانی با فاصله تکاملی بسیار زیاد، از جمله یک اسفنج، کرم خاکی و «دمفنری» یا فنرپا، قادر به تجزیه PHAهای میکروبی هستند.
«کارولین زایدلر»، نویسنده نخست پژوهش، این موضوع را شگفتانگیزترین بخش مطالعه میداند. به گفته او، آنچه ابتدا بهعنوان کشفی در یک کرم دریایی آغاز شد، در ادامه به قابلیتی تبدیل شد که میان جانورانی از شاخههای بسیار متفاوت حیات مشترک است.
PHAها در واقع ذخایر طبیعی کربن و انرژی برای میکروارگانیسمها هستند. زمانی که باکتریها بیش از نیاز فوری خود کربن در اختیار داشته باشند، بخشی از آن را به شکل PHA درون سلولهایشان ذخیره میکنند.
این ترکیبات علاوه بر نقش زیستی در میکروبها، امروزه بهصورت صنعتی نیز برای تولید پلاستیکهای زیستتخریبپذیر استفاده میشوند. در فرایند صنعتی، باکتریها در مخازن بزرگ تخمیر رشد داده میشوند و موادی مانند قند، نشاسته یا روغنهای گیاهی در اختیار آنها قرار میگیرد تا مقدار زیادی PHA تولید کنند.
PHA پس از استخراج میتواند به مواد پلاستیکی تبدیل شود که قابلیت قالبگیری دارند، در برابر آب نسبتاً مقاوم هستند و برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. از این مواد در بستهبندی مواد غذایی و محصولات بهداشتی استفاده میشود.
در کشاورزی نیز میتوان کودها را داخل دانههای PHA قرار داد تا با تجزیه تدریجی پوشش، مواد موجود در آن آزاد شوند. کاربردهای پزشکی این مواد نیز قابل توجه است و از آنها میتوان در ساخت پانسمان، سامانههای انتقال دارو و ایمپلنتها یا بخیههای قابل جذب استفاده کرد که بهتدریج در بدن تجزیه میشوند.
یکی از ویژگیهای مهم PHA این است که برخلاف بسیاری از پلاستیکهای رایج، چرخهای کاملاً زیستی دارد. این مواد توسط میکروارگانیسمها تولید میشوند و میتوانند از طریق فرایندهای زیستی نیز تجزیه شوند. PHAهای طبیعی در محیطهای مختلف از جمله خاک، رسوبات و محیطهای آبی سراسر جهان یافت میشوند.
میکروبها زمانی که کربن بیشتری از نیاز فوری خود در اختیار دارند، آن را به شکل این ترکیبات ذخیره میکنند تا بعداً مورد استفاده قرار دهند.
با وجود ظرفیت بالای PHA برای تولید پلاستیکهای پایدار، این مواد هنوز سهم کوچکی از بازار جهانی پلاستیکهای زیستی را در اختیار دارند. با افزایش تقاضا برای مواد زیستپایه و زیستتخریبپذیر، انتظار میرود تولید این نوع پلاستیکها در سالهای آینده افزایش پیدا کند. اکنون یافته جدید دانشمندان نشان میدهد چرخه تجزیه این مواد در طبیعت تنها به میکروارگانیسمها محدود نیست و جانوران نیز میتوانند در آن نقش داشته باشند.
«مگی سوگین»، نویسنده همکار پژوهش که بخش قابل توجهی از این مطالعه را در مؤسسه ماکس پلانک انجام داده و اکنون استادیار دانشگاه کالیفرنیا، مرسد است، میگوید این پژوهش درک دانشمندان از موجوداتی را که قادر به استفاده از ذخایر کربن میکروبی هستند، تغییر میدهد. به گفته او، جانوران احتمالاً صدها میلیون سال است که از «پلاستیک اولیه طبیعت» تغذیه میکنند و دانشمندان تنها اکنون متوجه این فرایند شدهاند.
با این حال، هنوز مشخص نیست این سازوکار در اکوسیستمهای طبیعی تا چه اندازه گسترده است و چه سهمی از چرخه جهانی کربن را به خود اختصاص میدهد. پژوهشگران برای پاسخ به این پرسشها به مطالعات بیشتری نیاز دارند.
این کشف در عین حال نشان میدهد بررسی موجودات غیرمعمول و روابط پیچیده میان آنها و میکروبهای همزیست میتواند پرده از فرایندهای زیستی مهمی بردارد که شاید صدها میلیون سال در طبیعت وجود داشتهاند، اما تاکنون از نگاه علم پنهان مانده بودند.
نظر شما