プラスチック廃棄物による環境汚染は世界的な深刻な問題です。将来的には、プラスチックを食べる細菌の酵素が、私たちの廃棄物をリサイクル可能な構成要素に分解する分子ハサミによって、この問題の解決に役立つ可能性があります。研究者らは現在、そのような酵素の三次元構造を解読した。彼らの洞察は、より効率的なリサイクルプロセスを開発する新たな機会を開きます。
人類は地球上にプラスチックを散らかしています。毎年、世界中で 3 億トンを超えるプラスチックが生産されており、その中には約 5,000 万トンのポリエチレン テレフタレート (略して PET) が含まれています。このポリマーは主にプラスチックボトルに使用されていますが、あらゆる種類の包装にも使用されています。問題は、PET などは生分解性がほとんどなく、再処理には費用がかかり、エネルギーを大量に消費するため、リサイクルされるのはほんの一部であることです。その結果、現在、海や川、さらには食品など、私たちの環境中に大量のプラスチック廃棄物やマイクロプラスチックが存在しています。
3 年前にプラスチックを食べる細菌が発見されたことで、より良いリサイクルの選択肢が期待できるようになりました。この微生物は、これまで知られていなかった酵素 PETase を使用して、PET プラスチックをより小さな化学構成要素、主にモノ(2-ヒドロキシエチル) テレフタル酸 (MHET) に分解します。これらは、2 番目の酵素である MHETase によって、基本的な構成要素であるエチレングリコールとテレフタル酸に分解されます。どちらの材料も、従来のリサイクルプロセスでは通常行われていた追加の原油を添加する必要がなく、そこから新しい PET を合成するのに理想的です。
プラスチックカッターの跡
このため、研究者たちは微生物とそのプラスチック破壊酵素の秘密を解明しようとしています。彼らは2018年4月にPETase構造の解読に成功した。現在、ベルリンのヘルムホルツ材料・エネルギーセンターのゲルト・ウェーバー氏と彼の同僚は、2番目の酵素であるMHETaseの構造も発見した。 「MHETase は PETase よりも大幅に大きく、はるかに複雑です。単一の MHETase 分子は 600 個のアミノ酸で構成されており、これは 4000 個以上の原子に相当します」と科学者は報告しています。
分析のために、研究者らはまず細菌の細胞から酵素を抽出し、それを精製する必要があった。次に、彼らはベルリンのシンクロトロン BESSY II で X 線を使用して MHETase を検査し、その三次元構造を解読し、それがどのように機能するかを確認しました。 「MHETase がどのように PET に結合して分解するかを観察するには、酵素に結合するが切断されない小さなプラスチックの断片が必要でした」とウェーバー氏は説明します。研究チームは、ペットボトルを化学的に分解し、対応する特性を持つ小さなプラスチック片を合成することでこれを達成した。次に、構造研究のために、このフラグメントで「ブロック」されたMHETaseから小さな結晶を成長させました。
より良いリサイクルを目指して
「このようにして、MHET 分子が MHETase に結合する場所と、その後この酵素が MHET をエチレングリコールとテレフタル酸の 2 つの成分にどのように分割するかを正確に特定することができました」と Weber 氏は報告しています。彼と彼の同僚が強調しているように、これらの洞察は酵素をさらに最適化する機会も開きます。 PETase も MHETase も特に効率的に機能しないためです。 「プラスチックがこれほど環境中に存在し始めたのは、ここ数十年のことです。急速な適応能力を備えた細菌でさえ、この短期間に進化の過程を通じて完全な解決策を開発することにはまだ成功していません」とウェーバー氏は言います。
自然界では時間がかかることは、実験室ではより早く起こります。さらなる研究で、ウェーバーと彼の同僚はすでに、天然の酵素よりもはるかに高い活性を持つ酵素変異体の計画と生産に成功しています。 「これらの変異体は、PET分解の別の中間生成物であるBHETに対しても活性がある」と共著者であるグライフスヴァルト大学のUwe Bornscheuer氏は報告している。科学者らは将来的に、プラスチック廃棄物用の分子ハサミの改良に体系的に取り組み続けたいと考えている。これらの酵素は、プラスチックを個々の部分に賢明に分解し、閉じたサイクルでリサイクルするという長年の探求の可能性となる可能性があります。研究者らによれば、これが理想的なリサイクルプロセスの鍵となるという。 「これによりプラスチック廃棄物問題の一部が解決されるだろう」と彼らは声明で結論づけている。
出典: Gert Weber (ヘルムホルツ材料エネルギーセンター、ベルリン) 他、Nature Communications、 doi: 10.1038/s41467-019-09326-3
