تولید پلاستیک زیستی (پلی‌هیدروکسی آلکانوات) به‌وسیله میکروارگانیسم‌ها

(قسمت آخر)

وهاب پیرانفر (کارشناس ارشد)، محمد عرفانی (کارشناس ارشد)، دکتر رضا میرنژاد (دانشیار دانشگاه)

زیست‌تخریب‌پذیری پلاستیک زیستی

در قسمت‌های قبل درباره خصوصیات، ویژگی‌ها، تولید و استخراج پلاستیک‌های زیستی مطالبی ارائه گردید. در بخش پایانی این مقاله، به روش‌های تخریب‌پذیری و کاربردهای پلاستیک زیستی اشاره کوتاه می‌شود.

زیست‌تخریب‌پذیری پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها

میکروارگانیسم‌هایی که تحت شرایط غذایی محدود اقدام به تولید و ذخیره‌سازی پلی‌هیدروکسی آلکانوات می‌کنند، ممکن است آن را در زمان نیاز تجزیه و متابولیزه کنند، بااین‌حال توانایی در ذخیره‌سازی پلی‌هیدروکسی آلکانوات لزوماً توانایی تجزیه آن را در محیط تضمین نمی‌کند. پلیمرهای پلی‌هیدروکسی آلکانوات بسیار بزرگ‌تر از آن هستند که بتوانند از دیواره سلولی باکتری عبور کنند، بنابراین باکتری باید هیدرولازهای خارج سلولی که قادر به تبدیل پلیمر به مونومرهای اسیدهیدروکسیل می‌باشد را تولید کند.

محصول هیدرولیز پلی‌هیدروکسی بوتیرات، (R)-3-هیدروکسی بوتیریک‌اسید می‌باشد؛ حال آنکه تجزیه خارج‌سلولی پلی3-هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات، مونومرهای 3-هیدروکسی بوتیرات و 3-‌هیدروکسی والرات را ایجاد می‌کند. مونومرهای محلول در آب به‌اندازه کافی کوچک هستند که بتوانند از دیواره سلولی عبور کنند. آن‌ها به‌وسیله بتااکسیداسیون و چرخه تری‌کربوکسیلیک اسید، در شرایط هوازی متابولیزه می‌شوند و آب و دی‌اکسیدکربن تولید می‌کنند (در شرایط بی‌هوازی تولید متان می‌کنند). محصول فرعی زیان‌آوری در حین تجزیه پلی‌هیدروکسی بوتیرات ایجاد نمی‌شود، به همین دلیل امروزه پلی‌هیدروکسی آلکانوات برای کاربردهای پزشکی از قبیل آزادسازی داروهای طولانی‌اثر، گیره‌های جراحی، نخ بخیه، عروق خونی و استخوان‌های مصنوعی در نظر گرفته می‌شود.

تعدادی از میکروارگانیسم‌های هوازی و بی‌هوازی که پلی‌هیدروکسی آلکانوات را تجزیه می‌کنند، خصوصاً باکتری‌ها و قارچ‌ها، از محیط‌های مختلف جداسازی شده‌اند؛ به‌طور مثال باکتری‌های اسیدووراکس فاسیلیس[1]، آسپرژیلوس فومیگاتوس[2]، گونه کوماموناس[3]، سودوموناس لموین[4]، واریووراکس پارادوکسوس[5] در خاک، آلکانیژنز فکالیس[6] و سودوموناس در لجن فعال، کوماموناس تستسترونی[7] در آب دریا، ایلیوباکتر دلافلدی[8] در لجن فعال و سودوموناس اشتوتزری در آب دریاچه، توانایی تجزیه پلی‌هیدروکسی آلکانوات را دارا می‌باشند. رطوبت به‌تنهایی پلی‌هیدروکسی آلکانوات را تحت‌تأثیر قرار نمی‌دهد و این ماده در هوا به‌طور نامحدودی پایدار است، بنابراین برای تجزیه‌شان به محیط میکروبی احتیاج داریم؛ به‌طور مثال پلی3-هیدروکسی بوتیرات و پلی3- هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات به‌وسیله ارگانیسم‌های جداشده از لجن فعال تجزیه می‌شوند و در مطالعاتی دیگر سویه‌ای از استرپتومایسس به نام استرپتوورتیسیوم کاشمرینز[9] AF1 توانایی تجزیه پلی‌هیدروکسی بوتیرات و پلی3- هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات را دارد و نیز سویه باکتریایی باسیلوس مگاتریوم AF3 قادر به تجزیه پلی3- هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات در خاک مخلوط با لجن فعال است.

مشاهده شده است که نرخ تجزیه میکروبی فیلم‌های پلی3- هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات در خاک، وابسته به جمعیت و توزیع میکروبی می‌باشد. در عکس‌برداری با میکروسکوپ الکترونی فیلم‌های پلی3-‌هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات مدفون در خاک مخلوط یا لجن فاضلاب به مدت ۱۲۰ روز، تجزیه را به‌واسطه ایجاد چاله‌ها، سطوح خشن، شیارها، حفره‌ها و ازهم‌گسیختگی، نشان داد. بعدها باکتری استرپتوورتیسیوم کاشمرینز که از سطح فیلم پلی3- هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات بدست آمد و نیز آثار مختلفی از حفره‌ها و شیارها که به‌صورت سطوح دندانه‌دار مشاهده شد، نشان داد که تخریب، اثر هماهنگ ائتلاف میکروب‌های جمع‌شده در سطح فیلم ازجمله قارچ‌ها، باکتری‌ها ازجمله اکتینومیست‌ها می‌باشد.

تخریب آنزیماتیک پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها

حداقل دو دسته آنزیم به‌طور فعال در تخریب بیولوژیکی پلیمر دخالـت دارند؛ دپلیمراز داخل سلولی و خارج سلولی. دپلیمرازهای خارج سلولی پلی‌هیدروکسی بوتیرات، توسط میکروارگانیسم‌های مختلفی ترشح می‌شود و نقش مهمی را برای متابولیسم پلی‌هیدروکسی بوتیرات در محیط بازی می‌کنند. چندین پلی‌هیدروکسی بوتیرات دپلیمراز از میکروارگانیسم‌های مختلف متعلق به جنس آلکانیژنزها، کوماموناسها و سودوموناسها جداسازی و خالص‌سازی شده است. این مسئله نشان می‌دهد که پلی‌هیدروکسی بوتیرات دپلیمراز در همه جای محیط حضور دارند.

تحلیل ساختار اولیه این آنزیم نشان می‌دهد که آن از سه قسمت: جایگاه متصل به سوبسترا، جایگاه کاتالیتیک و ناحیه اتصالی دو جایگاه تشکیل شده است. جایگاه متصل به سوبسترا نقش اتصال به پلی‌هیدروکسی بوتیرات را دارد. جایگاه کاتالیتیکی شامل ماشین کاتالیتیکی متشکل از سه اسیدآمینه (سرین-هیستیدین-آسپارژین) می‌باشد. سرین قسمتی از پنتاپپتید (گلایسین-X-سرین-X-گلایسین) جعبه لیپاز می‌باشد که در تمام هیدرولازهای شناخته‌شده مثل لیپاز، استراز و سرین پروتئاز دیده شده است.

در پی مطالعات و بررسی خصوصیات بیو‌شیمیایی پلی‌هیدروکسی آلکانوات دپلیمرازها خصوصیاتی از قبیل وزن مولکولی نسبتاً پایین (در حدود ۱۰۰ کیلودالتون، ولی اغلب دپلیمرازها بین ۴۰ تا ۵۰ کیلودالتون می‌باشند)، عدم اتصال به مبدل‌های آنیونی مثل دی‌اتیل تانولامین[10]، میل ترکیبی بسیار بالا با مواد هیدروفوبیک مثل بوتیل تویوپرال[11] و فنیل تویوپرال[12]، pH اپتیمم 8/9 – 5/7 برای دپلیمراز باکتری سودوموناس پکتی[13] و پنسیلیوم فونیکلوزوم[14] و pH اپتیمم 7-5/5 برای بقیه میکروارگانیسم‌ها و پایداری زیاد در گرما و غیره منتشر شد. بیشتر پلی‌هیدروکسی بوتیرات دپلیمراز به‌وسیله محدودکننده‌های سرین‌استراز از قبیل دی‌سوپروپیل فلوریل‌ فسفات[15] یا ترکیبات آسیل‌سولفونیل[16] محدود می‌شوند که با جایگاه فعال سرین‌هیدرولازها پیوند کوالان می‌دهد. در مطالعاتی پلی3- هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات، دپلیمرازی از گونه باسیلوس AF3 با وزن مولکولی ۳۷ کیلودالتون، در pH ۷ و در دمای ۳۷ درجه سلسیوس شناسایی گردید. ظاهراً اغلب باکتری‌های تجزیه‌کننده پلی‌هیدروکسی آلکانوات که موردبررسی قرارگرفته است تنها یک دپلیمراز تولید می‌کنند.

سودوموناس لموین باکتری تجزیه‌کننده پلی‌هیدروکسی آلکانوات است که مطالعات خوبی بر روی آن صورت گرفته است. ضمناً این باکتری دست‌کم هفت پلی‌هیدروکسی آلکانوات دپلیمراز خارج سلولی تولید می‌کند که تفاوت کمی در خصوصیات بیو‌شیمیایی آن‌ها وجود دارد. سه دپلیمراز (پلی‌هیدروکسی بوتیرات دپلیمراز A، B، D) اختصاصاً پلی‌هیدروکسی بوتیرات و پلی3- هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات‌هایی که حاوی مقدار کمی 3-هیدروکسی والرات هستند را تجزیه می‌کنند و دو دپلیمراز دیگر (پلی‌هیدروکسی بوتیرات دپلیمراز C و پلی–دی-3-هیدروکسی والرات دپلیمراز) نیز پلی‌هیدروکسی بوتیرات و پلی‌هیدروکسی والرات را تجزیه می‌کنند. سویه اسیدووراکس فاسیلیس T1 جداشده از لجن فعال، D-3-هیدروکسی بوتیرات اولیگومر هیدرولاز و پلی‌‌هیدروکسی بوتیرات دپلیمراز خارج سلولی ترشح می‌کند. همچنین دو تیپ مختلف از پلی‌هیدروکسی بوتیرات و 3-هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات دپلیمراز از استرپتوورتیسیوم کاشمرینز AF1 به وزن مولکولی ۳۵ تا ۳۷ و ۴۵ کیلودالتون جدا شده است.

کاربردهای پلی‌هیدروکسی آلکانوات

اکثر جنبه‌های کاربردی پلی‌هیدروکسی آلکانوات قابل‌جایگزینی با پلیمرهای پتروشیمیایی هستند. پلاستیک‌ها در حال حاضر برای بسته‌بندی و کاربردهای پوششی استفاده می‌شوند و می‌توانند تا حدی و یا کاملاً توسط پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها جایگزین شوند. طیف وسیع خواص فیزیکی خانواده پلی‌هیدروکسی آلکانوات و عملکرد بادوام آن به‌وسیله تغییرات شیمیایی یا ترکیب آن‌ها مشاهده شده است. کاربرد این مواد بیشتر در لوازم بسته‌بندی مانند ظروف و فیلم‌های پوششی می‌باشد، به‌علاوه استفاده از آن‌ها به‌صورت محصولات بهداشت فردی زیست‌تخریب‌پذیر از قبیل پوشک و بسته‌بندی آن پیش‌ از این بیان شده است. پلی‌هیدروکسی آلکانوات را نیز به‌صورت جوهر چاپ و چسب، فراوری کرده‌اند. این ترکیبات اخیراً در محصولات الکترونیکی مثل موبایل استفاده شده است و نیز دارای کاربردهایی در صنعت کشاورزی از قبیل تولید فیلم‌های پلاستیکی زیست‌تخریب‌پذیر برای حفاظت از محصولات و ساخت ظروف زیست‌تخریب‌پذیر برای گلخانه‌ها می‌باشد. پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها دارای کاربرد متعددی درزمینهٔ پزشکی می‌باشند. مزیت اصلی این مواد در پزشکی این است که این پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر می‌توانند وارد بدن بشوند و نیاز به خارج کردن آن‌ها از بدن نباشد. این مواد یا به‌صورت خالص یا در ترکیب با دیگر مواد می‌باشند. پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها می‌توانند به‌عنوان نخ بخیه، قطعات ترمیمی، پین‌های ارتوپدی، موانع چسبنده، استنت‌ها، هدایتگرهای عصبی و داربست‌های مغز استخوان استفاده شوند، بااین‌حال به سبب ویژگی‌های بسیار زیاد پلاستیک‌های استفاده شده در بدن، هر پلی‌هیدروکسی آلکانواتی نمی‌تواند کاربرد پزشکی داشته باشد (جدول 1).

جدول 1: برخی از کاربردهای بیوپلاستیک

(گرفته شده از سایت http://www.climatetechwiki.org/technology/bioplastics)

چشم‌انداز

بهای نفت در قرن آینده به‌طور چشم‌گیری افزایش پیدا می‌کند و جهان را وادار به در نظر گرفتن جایگزینی برای پلاستیک‌های پتروشیمیایی می‌کند. طبیعت تجدیدپذیر و زیست‌تخریب‌پذیری پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها آن‌ها را به مواد مناسبی برای جایگزینی با پلاستیک‌های سنتزی بدل می‌کنند. در حال حاضر تولید این مواد گران است، زیرا این پلاستیک‌ها هنوز در ابتدای راه تجاری‌سازی خود هستند. تحقیقات بیشتر بر روی سویه‌های نوترکیب، کشت‌های ترکیبی، تخمیر کارآمد، بازیافت، خالص‌سازی و استفاده از سوبستراهای ارزان‌قیمت می‌تواند باعث کاهش قابل‌ملاحظه‌ای‌ در هزینه تولید این مواد شود.

منابع:

Michael, K. Thomas, M.H. Florian, W. Virginia, M. Jürgen, P. 2009, The PHA Depolymerase Engineering Database: A systematic analysis tool for the diverse family of polyhydroxyalkanoate (PHA) depolymerases, BMC Bioinformatics (10) , 1-8.
Aamer, A. Fariha, H. Abdul, H. Safia, A. 2008, Biological degradation of plastics: A comprehensive review. Biotechnology Advances (26) , 246-265.
Ojumu, T.V. Solomon, B.O. 2004, Production of Polyhydroxyalkanoates, a bacterial. biodegradable polymer. African Journal of Biotechnology (3) , 18-24.
Baki, H. 2009, Amphiphilic Poly (3-hydroxy alkanoate) s: Potential Candidates for Medical Applications. International Journal of Polymer Science (423460) , 1-8.
Xuan, J. Juliana, A.R. Bruce, A.R. 2006, Acetone extraction of mcl-PHA from Pseudomonas putida Journal of Microbiological Methods(67) , 212–219.
Pornpa, S. Randall, W. Suresh, N. Maurice, M. Saleh, S. 2007, Biotechnological approaches for the production of polyhydroxyalkanoates in microorganisms and plants — A review. Biotechnology Advances (25) , 148–175.
http://www.climatetechwiki.org/technology/bioplastics

[1] Acidovorax faecilis

[2] Aspergillus fumigatus

[3] Comamonas spp.

[4] Pseudomonas lemoignei

[5] Variovorax paradoxus

[6] Alcaligenes faecalis

[7] Comamonas testosteroni

[8] Ilyobacter delafieldi

[9] Streptoverticillium kashmeriense

[10] Diethylethanolamine (DEAE)

[11] Butyl-Toyopearl

[12] Phenyl-Toyopearl