BAGIKAN
flockine/pixabay

Para ilmuwan telah merekayasa enzim yang dapat mencerna beberapa plastik yang paling sering mencemari, menyediakan solusi potensial untuk salah satu masalah lingkungan terbesar di dunia.

Penemuan ini dapat menghasilkan solusi daur ulang untuk jutaan ton botol plastik, terbuat dari bijih plastik polyethylene terephthalate, atau PET, yang saat ini telah berlangsung selama ratusan tahun di lingkungan.

Profesor John McGeehan di Universitas Portsmouth dan Dr Gregg Beckham di NREL menemukan struktur kristal PETase — enzim yang baru-baru ini ditemukan yang dapat mencerna PET — dan menggunakan informasi 3D ini untuk memahami cara kerjanya. Selama studi, mereka secara tidak sengaja merekayasa enzim yang bahkan lebih baik dalam mendegradasi plastik daripada yang berevolusi di alam.

Para peneliti sekarang bekerja untuk meningkatkan enzim lebih lanjut untuk memungkinkannya digunakan secara industri untuk memecah plastik dalam sebagian kecil waktu.

Profesor McGeehan, mengatakan: “Sedikit yang bisa meramalkan bahwa sejak plastik menjadi populer di tahun 1960-an, tumpukan sampah plastik besar akan ditemukan mengambang di lautan, atau hanyut di pantai yang masih asli di seluruh dunia.

“Kita semua dapat memainkan bagian penting dalam menangani masalah plastik, tetapi komunitas ilmiah yang akhirnya menciptakan ‘bahan ajaib’ ini, sekarang harus menggunakan semua teknologi yang mereka miliki untuk mengembangkan solusi nyata.”

Para peneliti membuat terobosan ketika mereka meneliti struktur enzim alami yang diduga telah berevolusi di pusat daur ulang limbah di Jepang, memungkinkan bakteri mendegradasi plastik sebagai sumber makanan.

PET, yang dipatenkan sebagai plastik pada tahun 1940-an, belum ada di alam untuk waktu yang sangat lama, sehingga tim mulai menentukan bagaimana enzim berevolusi dan apakah mungkin untuk memperbaikinya.

Tujuannya adalah untuk menentukan strukturnya, tetapi mereka akhirnya melangkah lebih jauh dan secara tidak sengaja merekayasa enzim yang bahkan lebih baik dalam mendegradasi plastik PET.

“Serendipity [peristiwa kebetulan] sering memainkan peran penting dalam penelitian ilmiah fundamental dan tidak terkecuali penemuan kami di sini ,” kata McGeehan.

“Meskipun perbaikannya sederhana, penemuan tak terduga ini menunjukkan bahwa ada ruang untuk lebih meningkatkan enzim-enzim ini, menggerakkan kita lebih dekat ke solusi daur ulang untuk tumpukan plastik yang dibuang.”

Gambar mikroskop elektron: enzim yang mendegradasi plastik PET [Credit: Dennis Schroeder / NREL]

Tim peneliti sekarang dapat menerapkan alat rekayasa dan evolusi protein untuk terus memperbaikinya.

University of Portsmouth dan NREL berkolaborasi dengan para ilmuwan di Diamond Light Source di Inggris, sebuah synchrotron yang menggunakan sinar X-ray yang intensitasnya 10 miliar kali lebih terang daripada matahari yang bertindak sebagai mikroskop yang cukup kuat untuk melihat atom-atom secara individual.

Menggunakan peralatan laboratorium terbaru mereka, beamline I23, model ultra-resolusi tinggi 3D dari enzim PETase dihasilkan dalam detail yang sangat indah.

Profesor McGeehan mengatakan: “The Diamond Light Source baru-baru ini menciptakan salah satu sinar X-ray paling canggih di dunia dan memiliki akses ke fasilitas ini memungkinkan kita untuk melihat struktur atom 3D dari PETase dalam detail yang luar biasa. Mampu melihat cara kerja lebih detail dari katalis biologis ini, memberikan kami cetak biru untuk merekayasa enzim yang lebih cepat dan lebih efisien.”

Chief Executive of Diamond Light Source, Profesor Andrew Harrison, mengatakan: “Dengan masukan dari lima lembaga di tiga negara yang berbeda, penelitian ini adalah contoh yang baik tentang bagaimana kerjasama internasional dapat membantu membuat terobosan ilmiah yang signifikan.

“Detail yang dapat ditarik oleh tim dari hasil yang dicapai pada garis balok I23 di Diamond akan sangat berharga dalam mencari untuk menyesuaikan enzim untuk digunakan dalam proses daur ulang industri dalam skala besar. Dampak dari solusi inovatif untuk sampah plastik akan bersifat global. Sangat fantastis bahwa para ilmuwan dan fasilitas di Inggris membantu untuk memimpin.”

Dengan bantuan dari para ilmuwan pemodelan komputasi di University of South Florida dan University of Campinas di Brasil, tim menemukan bahwa PETase terlihat sangat mirip dengan cutinase [enzim yang bertindak sebagai katalis], tetapi memiliki beberapa fitur yang tidak biasa termasuk situs aktif yang lebih terbuka, yang dapat mengakomodasi manusia. -dibuat daripada polimer alami. Perbedaan-perbedaan ini menunjukkan bahwa PETase mungkin telah berevolusi dalam lingkungan yang mengandung PET yang memungkinkan enzim untuk mendegradasi PET. Untuk menguji hipotesis ini, para peneliti memutasi situs aktif PETase agar lebih mirip cutinase.

Dan saat itulah tak terduga terjadi – para peneliti menemukan bahwa mutan PETase lebih baik daripada PETase alami dalam mendegradasi PET.

Secara signifikan, enzim juga dapat mendegradasi polyethylene furandicarboxylate, atau PEF, pengganti berbasis bio untuk plastik PET yang dipuji sebagai pengganti botol bir kaca.

McGeehan mengatakan: “Proses rekayasa sama dengan enzim yang saat ini digunakan dalam deterjen bio-pencucian dan dalam pembuatan biofuel – teknologi ada dan itu baik dalam kemungkinan bahwa di tahun-tahun mendatang kita akan melihat industri yang layak proses untuk mengubah PET dan substrat lain yang berpotensi seperti PEF, PLA, dan PBS, kembali ke blok bangunan asli mereka sehingga mereka dapat didaur ulang secara berkelanjutan.”

Dia mengatakan: “Penelitian ini hanyalah permulaan dan masih banyak yang harus dilakukan di bidang ini. Saya senang menjadi bagian dari tim internasional yang menangani salah satu masalah terbesar yang dihadapi planet kita.”

Penelitian ini dipimpin oleh tim di University of Portsmouth dan Laboratorium Energi Terbarukan Nasional Departemen Energi AS (NREL) dan diterbitkan dalam Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS).