Ideonella sakaiensis

Ideonella sakaiensis เป็นแบคทีเรียจากสกุล และวงศ์ Comamonadaceae ที่สามารถย่อยสลายและบริโภคพลาสติก (PET) โดยใช้เป็นทั้งแหล่งคาร์บอนและแหล่งพลังงาน แบคทีเรียนี้ได้แยกออกมาจากตัวอย่างตะกอนที่เก็บได้จากนอกสถานที่รีไซเคิล ขวดพลาสติก ในเมืองซากาอิ ประเทศญี่ปุ่น

Ideonella sakaiensis
การจำแนกชั้นทางวิทยาศาสตร์
โดเมน:	แบคทีเรีย Bacteria
ไฟลัม:	Proteobacteria
ชั้น:	Betaproteobacteria
อันดับ:	Burkholderiales
วงศ์:	Comamonadaceae Comamonadaceae
สกุล:	Ideonella โยชิดะและคณะ 2016
สปีชีส์:	Ideonella sakaiensis
ชื่อทวินาม
Ideonella sakaiensis โยชิดะและคณะ 2016

การค้นพบ

Ideonella sakaiensis ถูกระบุครั้งแรกในปี 2016 โดยทีมวิจัยที่นำโดย จากสถาบันเทคโนโลยีเกียวโตและ เคนจิ มิยาโมโตะ จากมหาวิทยาลัยเคโอ หลังจากเก็บตัวอย่างตะกอนที่ปนเปื้อน PET ที่โรงงานรีไซเคิลขวดพลาสติกในซาไก ประเทศญี่ปุ่น แบคทีเรียนี้ถูกแยกออกจากกลุ่มจุลชีพในตัวอย่างตะกอน ซึ่งรวมถึง โปรโตซัว และเซลล์คล้ายยีสต์ ชุมชนจุลินทรีย์ทั้งหมดสามารถเปลี่ยนแปลง 75% ของ PET ที่ย่อยสลายแล้วให้กลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้เมื่อถูกย่อยสลายและ โดย Ideonella sakaiensisในครั้งแรก

การจำแนกประเภท

คุณลักษณะทางกายภาพ

Ideonella sakaiensis เป็นแบคทีเรียที่ แกรมลบ และมีรูปร่างเป็นแท่ง เซลล์มีการเคลื่อนที่ได้และมี แฟลเจลลัม เพียงหนึ่งเส้น โคโลนีของ I. sakaiensis ไม่มีสี เรียบ และมีรูปร่างเป็นวงกลม ขนาดของแบคทีเรียนี้มีตั้งแต่ 0.6 ถึง 0.8 μm ในความกว้าง และ 1.2-1.5 μm ในความยาว

คุณลักษณะทางเคมี

I. sakaiensis ยังให้ผลบวกต่อการทดสอบ และ แบคทีเรียสามารถเจริญเติบโตได้ที่ช่วง pH 5.5 ถึง 9.0 (โดยมีความเหมาะสมที่ 7 ถึง 7.5) และอุณหภูมิที่ 15–42 องศาเซลเซียส (59–108 องศาฟาเรนไฮต์) (โดยมีความเหมาะสมที่ 30–37 องศาเซลเซียส (86–99 องศาฟาเรนไฮต์)).

Ideonella sakaiensis เกาะอยู่บนพลาสติก PET ด้วยแฟลเจลลัมที่บางและส่งเอนไซม์ย่อยสลาย PET ไปยังพื้นผิวพลาสติก

การใช้คุณลักษณะ

ความเป็นแกรมลบของแบคทีเรียนี้ทำให้มีความต้านทานและยีนที่อาจรวมถึงความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะ ความเป็นแกรมลบยังหมายถึงว่ามีผนังเซลล์ที่บางและมีไขมันสูง^[]

ลักษณะการใช้พลังงานจากการหายใจแบบใช้ออกซิเจนของแบคทีเรียนี้หมายความว่าสามารถเจริญเติบโตและมีชีวิตอยู่ได้เฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจน Ideonella sakaiensis และแบคทีเรียแบบใช้ออกซิเจนอื่น ๆ จึงสามารถอยู่รอดในดินที่มีออกซิเจนและชื้น^[]

แฟลเจลลัมที่ติดอยู่กับแบคทีเรียนี้ทำหน้าที่เป็นอวัยวะเคลื่อนที่และสามารถหมุนและผลักดันเซลล์ไปในสภาพแวดล้อมของแบคทีเรียโดยสร้างการเคลื่อนไหว แบคทีเรียนี้ยังแสดงให้เห็นว่าสามารถเจริญเติบโตบนพื้นผิวของพอลิเอทิลีน เทเรฟทาเลต (PET) ซึ่งเป็นพลาสติก โดยการยึดเกาะกับพื้นผิวของพลาสติกผ่านแฟลเจลลัมที่บาง และปล่อยเอนไซม์ย่อยสลาย PET ลงบนพื้นผิว PET ที่เรียกว่า PETase^[]

จากการวิเคราะห์ฟิโลเจนี สปีชีส์นี้ถูกแสดงให้เห็นว่าเป็นส่วนหนึ่งของสกุล แต่มีจีโนมที่แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากสปีชีส์อื่น ๆ ที่รู้จักในสกุลนี้ รวมถึง และ ซึ่งเป็นเหตุผลที่สนับสนุนการจำแนกประเภทเป็นสปีชีส์ใหม่

การย่อยสลายและการนำ PET ไปใช้

กลไกทางเคมีของเอนไซม์ PETase จาก I. sakaiensis

Ideonella sakaiensis เกาะติดกับพื้นผิว PET และใช้ ที่ปล่อยออกมา หรือ เพื่อย่อยสลาย PET ให้เป็น (MHET) ซึ่งเป็น ที่ประกอบด้วย (TPA) และ เอทิลีนไกลคอล PETase ยังช่วยย่อย PET ให้เป็นสารกลางอีกชนิดหนึ่งที่เรียกว่า Bis- (2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET) ซึ่ง BHET สามารถแปรสภาพเป็น MHET ได้หลังจากการไฮโดรลิซิสของ PET

I. sakaiensis PETase ทำงานโดยการไฮโดรไลซ์พันธะเอสเตอร ที่มีอยู่ใน PET ด้วยความเฉพาะเจาะจงสูง ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ MHET จะถูกย่อยสลายให้เป็นองค์ประกอบโมโนเมอร์สองชนิดโดยเอนไซม์ MHET ไฮโดรเลส หรือ ที่ติดอยู่กับเยื่อหุ้มเซลล์ด้านนอก กลไกโดยรวมของการย่อยสลายพลาสติก PET จะแสดงในภาพด้านบน องค์ประกอบโมโนเมอร์ เช่น เอทิลีนไกลคอล จะถูกนำเข้าไปใช้โดย I. sakaiensis และแบคทีเรียอื่น ๆ หลายชนิด

อีกองค์ประกอบหนึ่งคือ เทเรฟทาเลต ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีความคงทนมากกว่า จะถูกนำเข้าสู่เซลล์ของ I. sakaiensis ผ่านโปรตีนขนส่งเทเรฟทาเลต เมื่อเข้าไปในเซลล์ โมเลกุลเทเรฟทาเลตที่มีโครงสร้างอะโรมาติกจะถูกออกซิไดซ์โดย และ ให้เป็นสารกลางที่เรียกว่า วงแหวนของสาร catechol จะถูกตัดขาดโดย ก่อนที่จะรวมเข้าไปในเส้นทางการเผาผลาญอื่น ๆ (เช่น )

ดังนั้น โมเลกุลทั้งสองที่ได้จาก PET จะถูกใช้โดยเซลล์เพื่อผลิตพลังงานและสร้างโมเลกุลชีวภาพที่จำเป็น ในที่สุด คาร์บอนที่ถูกนำไปใช้จะถูกแร่ธาตุให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และปล่อยออกสู่บรรยากาศ

ผลกระทบและการใช้งาน

การค้นพบ Ideonella sakaiensis มีความสำคัญต่อการย่อยสลายพลาสติก PET ก่อนการค้นพบนี้ แบคทีเรียและเชื้อราที่สามารถย่อยสลาย PET ได้มีเพียงไม่กี่ชนิด เช่น และไม่มีสิ่งมีชีวิตใดที่ทราบแน่ชัดว่าย่อยสลาย PET เป็นแหล่งคาร์บอนและพลังงานหลัก การค้นพบ I. sakaiensis กระตุ้นให้มีการอภิปรายเกี่ยวกับการย่อยสลาย PET ในฐานะวิธีการ และ การบำบัดสารมลพิษทางชีวภาพ

แบคทีเรีย พันธุ์ป่า สามารถตั้งรกรากและทำลายฟิล์ม PET ที่มีความหนา 0.2 มม. ได้ในประมาณ 6 สัปดาห์ และเอนไซม์ PETase ที่รับผิดชอบจะแสดงให้เห็นว่าย่อยสลาย PET ที่มีความผลึกสูง (hard) ได้ช้ากว่า PET ที่มีความผลึกต่ำ (soft) ประมาณ 30 เท่า (180 สัปดาห์ หรือมากกว่า 3 ปี) จำนวนมากของ PET ที่ผลิตขึ้นมามีความผลึกสูง (เช่น ขวดพลาสติก) ดังนั้นจึงคิดว่าการนำเอนไซม์ PETase ของ I. sakaiensis ไปใช้ในโปรแกรมรีไซเคิลจะต้องมีการปรับแต่งทางพันธุกรรมของเอนไซม์ก่อน

เอนไซม์ MHETase ยังสามารถได้รับการปรับแต่งและนำไปใช้ในการรีไซเคิลหรือการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อมร่วมกับเอนไซม์ PETase โดยจะช่วยย่อยสลาย MHET ที่ผลิตจาก PETase ให้กลายเป็นเอทิลีนไกลคอลและเทเรฟทาเลต เมื่อได้สองสารประกอบนี้มาแล้ว สามารถย่อยสลายเพิ่มเติมให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์โดย I. sakaiensis หรือจุลินทรีย์อื่น ๆ หรือสามารถทำให้บริสุทธิ์และใช้ในการผลิต PET ใหม่ในโรงงานรีไซเคิลในอุตสาหกรรมได้

Ideonella sakaiensis กำลังถูกศึกษาถึงความสามารถในการย่อยสลาย PET ในฟาร์มเลี้ยงปลาโดยใช้น้ำเสีย ซึ่งสายพันธุ์ต่าง ๆ ของแบคทีเรียนี้ไม่แสดงให้เห็นถึงการคุกคามต่อการเติบโตและการเพาะเลี้ยงปลา แบคทีเรียชนิดนี้ใช้ PET เป็นแหล่งคาร์บอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และสามารถเจริญเติบโตในน้ำเสียและระบบนิเวศที่มีมลพิษจากพลาสติก ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการเป็นสารต่อต้านมลพิษที่มีต้นทุนต่ำ

การปรับแต่งพันธุกรรม

เอนไซม์ย่อยสลายพลาสติก PET ของ Ideonella sakaiensis ที่เรียกว่า ได้ถูกปรับแต่งทางพันธุกรรมและรวมกับ เพื่อทำลาย PET ให้เร็วขึ้น ซึ่งยังช่วยย่อยสลาย ด้วย วิธีนี้และวิธีการอื่น ๆ อาจเป็นประโยชน์ในกระบวนการรีไซเคิลและการอัพไซเคิลพลาสติกที่ผสมกัน

ระบบการกรองการแข็งตัว

ในปี 2021 นักเรียนชั้นประถมศึกษาปีที่ 5 ชื่อจูเลีย สจ๊วต และเจคอบ พาร์ค ได้สร้างแนวคิดระบบการกรองการแข็งตัวสำหรับการประกวด โดยใช้ Ideonella sakaiensis ในกระบวนการที่กรอง แข็งตัว เกาะตัว และตกตะกอนน้ำในวิธีที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพมากขึ้น โครงการนี้ได้รับรางวัลในกลุ่ม 4-6 ของ ExploraVision ในสหรัฐอเมริกา

อ้างอิง

1. Yoshida S, Hiraga K, Takehana T, Taniguchi I, Yamaji H, Maeda Y, และคณะ (March 2016). "A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate)". Science. 351 (6278): 1196–1199. Bibcode:2016Sci...351.1196Y. doi:10.1126/science.aad6359. PMID 26965627. S2CID 31146235.
2. Yoshida S, Hiraga K, Takehana T, Taniguchi I, Yamaji H, Maeda Y, และคณะ (March 2016). "A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate)". Science. 351 (6278): 1196–1199. Bibcode:2016Sci...351.1196Y. doi:10.1126/science.aad6359. PMID 26965627. S2CID 31146235. "Discovery of a Bacterium that Degrades and Assimilates Poly (ethylene terephthalate) could Serve as a Degradation and/or Fermentation Platform for Biological Recycling of PET Waste Products" (PDF). Kyoto Institute of Technology (Press release). 2016-03-30.
3. Ong, Sandy (24 August 2023). "The living things that feast on plastic". Knowable Magazine | Annual Reviews. doi:10.1146/knowable-082423-1.
4. Yoshida S, Hiraga K, Takehana T, Taniguchi I, Yamaji H, Maeda Y, และคณะ (March 2016). "A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate)". Science. 351 (6278): 1196–1199. Bibcode:2016Sci...351.1196Y. doi:10.1126/science.aad6359. PMID 26965627. S2CID 31146235.
5. Puspitasari N, Tsai SL, Lee CK (April 2021). "Class I hydrophobins pretreatment stimulates PETase for monomers recycling of waste PETs" (PDF). International Journal of Biological Macromolecules. 176: 157–164. doi:10.1016/j.ijbiomac.2021.02.026. PMID 33561457. S2CID 231865499.
6. Pearce BA, Heydeman MT (1980-05-01). "Metabolism of Di (ethylene glycol) [2- (2'-Hydroxyethoxy) ethanol] and Other Short Poly (ethylene glycol) s by Gram-negative Bacteria". Microbiology. 118 (1): 21–27. doi:10.1099/00221287-118-1-21. ISSN 1350-0872.
7. Coghlan A. "Bacteria found to eat PET plastics could help do the recycling". New Scientist. สืบค้นเมื่อ 2016-03-18.
8. Al-Sabagh AM, Yehia FZ, Eshaq G, Rabie AM, El Metwally AE (March 2016). "Greener routes for recycling of polyethylene terephthalate". Egyptian Journal of Petroleum. 25 (1): 53–64. doi:10.1016/j.ejpe.2015.03.001.
9. Misra J (April 2020). "Managing Wastewater Using Plastic Eating Bacteria - A Sustainable Solution for Sewage Fed Fisheries". Journal of the Indian Chemical Society. 97 (4): 513–519.
10. Carrington D (28 September 2020). "New super-enzyme eats plastic bottles six times faster". The Guardian. สืบค้นเมื่อ 12 October 2020.
11. "Plastic-eating enzyme 'cocktail' heralds new hope for plastic waste". phys.org (ภาษาอังกฤษ). สืบค้นเมื่อ 12 October 2020.
12. Knott BC, Erickson E, Allen MD, Gado JE, Graham R, Kearns FL, และคณะ (October 2020). "Characterization and engineering of a two-enzyme system for plastics depolymerization". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (41): 25476–25485. Bibcode:2020PNAS..11725476K. doi:10.1073/pnas.2006753117. PMC 7568301. PMID 32989159.
13. "Eight Student Teams Named National Winners of 29th Annual ExploraVision Challenge". news.toshiba.com (ภาษาอังกฤษแบบอเมริกัน). สืบค้นเมื่อ 2021-12-03.
14. "Introducing the 2021 ExploraVision National Winners". www.exploravision.org. 18 May 2021. สืบค้นเมื่อ 2021-12-03.
15. "Home | Coagulation Filtration System". ExploraVision.PPT te (ภาษาอังกฤษ). สืบค้นเมื่อ 2021-12-03.

แหล่งข้อมูลอื่น

• Type strain of Ideonella sakaiensis at BacDive - the Bacterial Diversity Metadatabase