ПЭТ (полиэтилентерефталат) – әйләнә-тирәдә авыр таркалуына карамастан, күптәннән пластик савытлар, элпәләр һәм башка төрле эшләнмәләр җитештерүдә киң кулланыла торган матдә. Хәзерге вакытта күләме елдан-ел артучы ПЭТ чүбе табигый экосистемаларның тотрыклыгына нык тәэсир итә. Кешеләрдән ярдәм көтеп тормыйча, табигать бу төр чүп белән микрорганизмнар ярдәмендә үзе көрәшә башлады. Күптән түгел галимнәр бу «спецназчылар» белән танышу бәхетенә иреште. Әлеге бактерияләр ПЭТны таркатып кына калмый, аны яхшы гына үзләштерә дә ала, икән.

Дөньяда ел саен 311 млн тонна пластмасса җитештерелә, шуларның 50  млн тоннасыннан артыгы – полиэтилентерефталаттан (ПЭТ) җитештерелгән эшләнмәләр: азык-төлек савытлары, төзелеш элпәсе, кием җитештерү өчен сүсләр һ.б. Ләкин пластик эшләнмәләрнең 14% гына икенчел эшкәртелүгә китә, калганы исә әйләнә-тирәдә туплана һәм экосистемалар, бигрәк тә океан экосистемалары өчен куркыныч тудыра. Нефть продуктларыннан җитештерелгәнгә һәм составында күп күләмдә ароматик компонентлар очраганга күрә, ПЭТ —  химик яктан инерт кушылма, шунлыктан табигый шартларда гаять тотрыклы: микроорганизмнарда аны таркатырдай ферментлар я юк, я аларның активлыгы гаять түбән.

Әле күптән түгел генә ПЭТны эшкәртергә яисә аның ярдәмендә үз үсешен тәэмин итәргә сәләтле бер генә микроорганизм да билгеле түгел иде. Әмма 2007 елда бу хәл үзгәрде: алман галимнәре полиэтилентерефталат җепселләре кергән минераль тирәлектә үсә алучы күгәрек гөмбәләре Fusarium oxysporum и F. solani турында мәкалә бастыра. 2011 елда исә, 1100 тоннадан артык пластик чүп йөзеп йөргән Саргасс диңгезендә пластик «ашаучы» бактерияләр бергәлеге табыла, тик, кызганычка каршы, бу бергәлеккә кергән аерым төрләрне бүлеп алып булмый. 2016 елның февралендә шул ук алман галимнәре Thermobifida fusca актиномицеты [1] синтезлаучы ПЭТтагы эфирлы бәйләнешләрне өзәргә сәләтле фермент турында хәбәр итәләр. Шуның белән эш төгәлләнә дә. Ә менә ПЭТны тулысынча таркатырга сәләтле аерым бактериаль штаммны бүлеп алып, аның катаболизм [2] реакцияләре өчен җаваплы ферментларын һәм аларның геннарын өйрәнеп булса, мондый организмны ПЭТ чүбен биологик юл белән эшкәртүдә кулланып булыр иде.

[1] Актиномицетлар — гөмбәләрнекенә охшаш тармакланган җепселләр (мицелий) формалаштырырга сәләтле бактерияләр.

[2] Катаболизм – катлаулы органик кушылмаларны гадирәк кушылмаларга таркату эшен башкаручы ферментатив реакцияләр.

 

Биодеградация хакында ике сүз

Теләсә кайсы катлаулы молекуланы биологик юл белән таркатуда  гадәттә берничә фермент катнаша. Мондый ферментларның геннары, күпчелек очракта, плазмида ДНКасында урнашкан була. D-плазмидалар, яки биодеградация плазмидалары – бактерияләргә яңа төр “ашкайнату” үзлекләрен бирүче, үз-үзләрен репликацияләргә [3] сәләтле йомык мобиль ДНК молекулары (2 нче рәс.). Зурлыгы 20 мең нуклеотид парыннан арткан плазмидалар, гадәттә, үзләренә бер күзәнәктән икенчесенә  (хәтта бер төргә карамаган бактерияләр арасында да) күчәргә мөмкинлек бирүче генетик системага ия булалар. Мондый горизонталь күчеш катаболизм геннарының микроорганизм популяцияләре арасында таралуына ярдәм итүче куәтле фактор булып тора.

Плазмидалар чагыштырмача кечкенә булганлыктан, аларны бер күзәнәктән икенчесенә күчереп, ниндидер кисәкләрен кисеп алып яисә өстәп өйрәнеп була. Максатчан рәвештә бер плазмидага үзенчәлекле геннарны туплап, яңа төрле сыйфатларга ия микроорганизмнар булдырырга яисә кеше өчен файдалы сыйфатларын яхшыртырга мөмкин. Шулар арасында бактерияләр һәм гөмбәләргә генә хас тирә-юньне зарарлы һәм тотрыклы матдәләрдән чистарту алу сәләте аерым урын алып тора. Микроорганизмнарга, теләсәләр теләмәсәләр дә, миллион еллык эволюцияләре барышында очратмаган матдәләрне үзләштерүгә җайлашырга туры килә. Биотехнологлар исә аларга эшләрен нәтиҗәлерәк башкарырга ярдәм итәргә тырыша, әлбәттә монда беренче чиратта кеше сәламәтлеге күздә тотыла.

Нефтепродуктлар (бензол, толуол, нафталин һ.б.) һәм кайбер пестицидларның биодеградациясе өчен җаваплы геннар инде өйрәнелгән, тик шулай да нефтьнең авыр таркала торган кушылмалары, нефть эшкәртү продуктлары һәм башка төрле ксенобиотикларның [4] таркалу генетикасы әлегә мәгълүм түгел. Мисал өчен, шул ук полиэтилентерефталат, сәнәгатьнең  төрле өлкәләрендә яратып кулланыла торган капролактам (аңардан полиамид пластмасса, тышлаучы элпә һәм хирургия җепләре җитештерүдә кулланыла торган капронны ясыйлар) һәм хәзерге вакытта тыелган антипирен – тетрабромдифенил эфирының биодеградациясен өйрәнү әле башлангыч ноктада гына.

[3] Репликация – ДНК молекуласының икеләтә артуы.

[4] Ксенобиотик – организм өчен ят, анда синтезланмаучы органик кушылмалар.

 

Ideonella sakaiensis — гурманофутурист бактерия

Япония халкының инде күптәннән югары технологияләр дөньясында яшәве беркемгә дә сер түгел. Шулай булгач, анда яшәүче микроблар нигә артта калырга тиеш соң? 2016 елның мартында Сосуке Ёсида һәм аның хезмәттәшләре полиэтилентерефталатны тулысынча таркатырга һәм аны углеродның бердән-бер чыганагы буларак кулланырга сәләтле бактерия турында хәбәр иттеләр. Авторлар пластик шешәләр эшкәртү заводыннан полиэтилентерефталат белән зарарланган 250 туфрак, юынтык су һәм актив ләм үрнәкләрен җыеп, шулардан ПЭТ-элпәдә үсүче микрооорганизмнарны сайлап алган. Әмма бары тик бер үрнәктә генә ПЭТ-элпәнең морфологиясен үзгәртергә сәләтле (3б рәс.) микроорганизмнар бергәлеге табылган (3а рәс.). Әлеге бергәлеккә кергән бактерияләр, чүпрәсыман күзәнәкләр һәм гади төзелешле организмнар ПЭТ элпәсен 30 ºС температурада 0,13 мг×см^-2×тәүлек^-1 тизлек белән яхшы гына тарката ала (3в рәс.), икән.

Киләсе тикшеренүләр әлеге бергәлек әгъзалары арасында ПЭТ биодеградациясе өчен җаваплы бердәнбер микроорганизм – ул Ideonella sakaiensis бактериясе икәнен күрсәтте. Идеонелла күзәнәкләре үзара – озын (3д рәс.), ә ПЭТ элпәсе белән кыска үсентеләр (3г һәм 3е рәс.) ярдәмендә тоташкан. Бәлкем бу үсентеләр бактерияләр бүлеп чыгарган ферментларны элпәгә җиткерергә булышадыр. Тәҗрибә күрсәткәнчә, I. sakaiensis тәэсирендә ПЭТ элпәсе нык зарарлана (3ж рәс.) һәм 30 ºС-та 6 атна эчендә бөтенләй диярлек юкка чыга (3з рәс.).

6 атна – кечкенә генә элпә кисәге өчен бу шактый озак вакыт, әлбәттә, әмма тәҗрибә нәтиҗәләре бу юнәлешне алга таба үстерүгә һәм ПЭТ чүбенең икенчел эшкәртү процессында кулланырга яраклы активрак штаммнар эзләүгә этәргеч бирә.

Яңа төр ризык өчен «пычак» һәм «чәнечке»

С. Ёсида һәм аның хезмәттәшләре I. sakaiensis-ның геномын секвенлаштырды һәм ПЭТ биодегдациясендә катнашучы ике төп ферментны билгели алды, болар:

 1 — ПЭТаза – тышкы тирәлеккә бүленеп чыга һәм ПЭТны моно-(2-гидроксиэтил)-терефталат (МГЭТ) димерларына “кискәли” торган гидролаза[5];

2 – МГЭТаза – күзәнәк эченә үтеп кергән МГЭТны этиленгликоль һәм терефталатка таркатучы фермент (4 нче рәс.).

ПЭТазаның аминокислоталар эзлеклелеге бары 51%  гына алда искә алынган T. fusca гидролазасыныкына тиңдәш булып чыга һәм башка төрле субстратларга карата активлык күрсәтә. МГЭТны танназалар семьялыгына кертсәләр дә, ул әлеге ферментлар өчен хас ароматик углеводларга карата активлык күрсәтми. Моннан тыш, ПЭТ һәм МГЭТ геннарының эшчәнлеге полиэтилентерефталат тәэсирендә активлашуы билгеләнә. Шуңа күрә, галимнәр бу ике фермент уникаль, һәм бары тик ПЭТ таркату өчен кулланыла, дигән фикергә киләләр. Кызганычка каршы, авторлар әлегә бу ферментларның геннары кайда (хромосамадамы яисә плазмидадамы) урнашканлыгы турында төгәл мәгълүмат бирә алмый. Плазмидада урнашкан очракта, әлеге геннарны югары дәрәҗәдә экспрессияләргә сәләтле штамм сайлап булыр иде.

Идеонеллалар бу специфик ризык өчен нинди чәнечке кулланалар, дигән сорауга да әлегә җавап юк, ягъни, ничек итеп бу бактерияләр шома пластик өслегендәге ПЭТ җепселләренә юл табалар соң? Әйтик, целлюлоза деградациясендә углевод-бәйләүче модульләре булган махсус аксымнар хәлиткеч роль уйный. Әлеге аксымнар тукыма өслегеннән аерым целлюлоза җепселләрен күтәреп, төрле гидролитик ферментларга аларны эшкәртү мөмкинлеге тудыра. Шулай итеп, япон галимнәренә бу мәсьәләне дә ачыкларга туры киләчәк.

[5] Гидролаза – нинди дә булса матдәнең гидролизын (су ярдәмендә таркату) катализлаучы фермент.

Йомгак: ә җайланмалары кайдан?

Кешеләр инде 70 елдан артык полиэтилентерефталаттан эшләнмәләр җитештерә һәм тирә-юньне шулар белән пычрата. Япон галимнәре тасвирлаган гидролитик ферментлар шушы кыска гына арада барлыкка килеп, бактерияләргә яңа төр кушылмалар белән ризыклану мөмкинлеге һәм яшәү өчен көрәштә өстенлек бирә алганмы соң? Ничек кенә сәер тоелмасын, мондый төр тизләтетелгән эволюциянең мисаллары да бар. Мәсәлән, узган гасырның 50 нче елларыннан кулланылган атразин гербицидындагы C-Cl бәйләнешен өзәргә сәләтле атразинхлоргидролаза ферменты. Тикшеренүләр күрсәткәнче, әлеге гидролаза C-N бәйләнешендә махсуслашкан меламиндезаминаза ферментыннан нибары 9 аминокислота калдыгының мутациясе нәтиҗәсендә барлыкка килгән. Бәлкем ПЭТаза кутин полимерын таркатучы һәм ПЭТка карата бераз активлык күрсәткән кутиназа ферментыннан барлыкка килгәндер.

Бу мәсләктән ферментлар эволюциясе ничек бара, аларның яңа төр активлыклары ничек формалаша соң, дигән сорау да кызыклы. Ферментларның (геннарның) яңа функцияләре селекция процессы аларның икенчел, өстәмә активлыкларына юнәлтелгән очракта барлыкка килә, дигән фикер бар (кутиназа очрагындагы кебек). Уңайлы шартларда бу активлык, күпчелек очракта, генның дупликациясе (икеләтә артуы) ярдәмендә арта. Алга таба төрле генетик вакыйгалар тәэсирендә күчермә ген төп нөсхәдән ераклаша, ә яңа шартлар тәэсирендә аның активлыгы тагы да арта һәм ул популяциядә тарала башлый. Япон галимнәренә идеонелла ферментларының нәсел шәҗәрәсен төзү өчен ПЭТаза һәм МГЭТазаларның төрле генетик вариантларын гына түгел, охшаш ферментлар белән чагыштыру өчен, аларның өченчел төзелешен дә өйрәнергә туры киләчәк.

Андрей Панов мәкаләсе, Ләйлә Миңнуллина тәрҗемәсе

Асылчыганак: Биомолекула сайты