Na powierzchni Oceanu Spokojnego, między Kalifornią a Hawajami, dryfuje gigantyczna „wyspa”, złożona w 99 procentach z plastikowych śmieci. Odkryta w 1997 r. przez Charlesa Moore’a, ma powierzchnię pięć razy większą od Polski i zbudowana jest w większości z rozłożonej do formy pyłu zawiesiny, która trafia do przewodów pokarmowych mieszkających w głębinach organizmów. Prowadzi to do śmierci tysięcy zwierząt wodnych i ptaków, a pośrednio, w formie mikroplastiku, trafia też do organizmów ludzi.

Śmieci w morzach

Wielka Oceaniczna Plama Śmieci – bo tak nazywa się ta „wyspa” – nie jest jedynym pływającym wysypiskiem odpadów. Głównym budulcem takich wysp jest tworzywo sztuczne o nazwie politereftalan etylenu, czyli tzw. PET. Bardzo popularne tworzywo jest praktyczne w użyciu, lekkie, wytrzymałe i doskonale nadaje się do przechowywania napojów, jednak generuje potężne problemy, gdy staje się odpadem. Według niektórych szacunków w ciągu minuty na świecie sprzedaje się około miliona różnego rodzaju plastikowych opakowań, głównie butelek. Od połowy XX wieku wyprodukowano już ponad 9 mld ton tego tworzywa, a jego rozkład trwa od kilkudziesięciu do nawet blisko tysiąca lat. Zwykła butelka po napoju potrzebuje na to między 400 a 500 lat, a nawet wtedy nie rozkłada się całkowicie: pod wpływem m.in. promieni słonecznych rozpada się w plastikowy pył. Ten zaś trafia do gleby, powietrza, wody, a dalej, przez pokarm, do naszych organizmów; już teraz wiemy, że drobinki mikroplastiku pływają w naszym krwiobiegu, znajdują się w płucach czy nerkach.

Biorąc pod uwagę tempo, w jakim rosną góry plastikowych odpadów, kwestia rozwiązania tego problemu staje się jednym z najważniejszych wyzwań w zakresie ochrony środowiska naturalnego. Recykling nie jest tu wystarczającym rozwiązaniem, bo po pierwsze produkty z plastiku recyklingowanego nie są już tak wytrzymałe, a po drugie ostatecznie również trafiają na wysypisko.

Światełko w tunelu

Poszukiwania sposobu na pozbycie się rosnących gór plastikowych śmieci trwają od lat. Pewną nadzieję dało odkrycie dokonane przez zespół japońskich naukowców z Uniwersytetu Technologicznego w Kioto pod kierunkiem dr. Shosuke Yoshidy. W 2016 r. udało im się znaleźć enzym przyspieszający rozkład tworzywa PET. Petaza – bo tak ów enzym nazwano – została wyizolowana po raz pierwszy z bakterii znalezionej w rejonie przedsiębiorstwa recyklingującego plastikowe opakowania. Bakteria ta  nosi nazwę Ideonella sakaiensis i występowała w osadzie pobranym ze ścieków. Choć wcześniej znano już kilka enzymów zdolnych do trawienia PET, to właśnie odkrycie Ideonelli sakaiensis stało się prośrodowiskowym przełomem. Dlaczego? Bo po tym kroku udało się zrobić kilka następnych.

Niezwykłe właściwości znalezionej przez Japończyków bakterii to m.in. zdolność do rozłożenia plastikowej butelki w kilka tygodni. W porównaniu z kilkusetletnim okresem standardowego rozkładu to najprawdziwszy ekspres. Drobnoustroje te potrafią zresztą nie tylko trawić plastik, ale też pochłaniać plamy ropy naftowej czy odpady radioaktywne.

Już te obserwacje były przełomowe, ale tempo rozkładu PET pod wpływem bakterii było wciąż stosunkowo wolne w odniesieniu do skali śmieciowego problemu. Dodatkowo proces nie mógł swobodnie zachodzić w środowisku słonym, a właśnie w takim pływają oceaniczne wyspy odpadów.

Z tą trudnością jednak poradzili sobie badacze z Uniwersytetu Karoliny Północnej, którym udało się tak zmodyfikować genetycznie pewien drobnoustrój, by ten mógł szybko biodegradować PET również w słonowodnym otoczeniu.

Celem prowadzonych badań była taka modyfikacja genetyczna Ideonelli sakaiensis, by zdolność do rozkładu plastiku stałą się bardziej wydajna. Zamiast jednak ulepszać odkrytą w Kioto bakterię, postanowiono przenieść jej enzymatyczne zdolności na inny organizm – naturalnie występujący w środowisku słonowodnym. Wybrano bakterię Vibrio natriegens, która dodatkowo namnaża się znacznie szybciej niż Ideonella sakaiensis.

W realizacji zadania pomogła genetyka. Pobrano DNA z Ideonelli sakaiensis, a następnie umieszczono je w plazmidzie słonowodnej bakterii. W ten sposób Vibrio natriegens zaczęła na swojej powierzchni produkować petazę. Tak zmodyfikowana bakteria posiada zdolności rozkładu tworzywa PET w słonej wodzie i temperaturze pokojowej, czego nie potrafiła jej „poprzedniczka”. Powstał w ten sposób mikroorganizm zdolny do rozkładu oceanicznych wysp plastikowych śmieci. To jednak za mało, by wykorzystać ją na skalę przemysłową. Po pierwsze zmiany trzeba wprowadzić bezpośrednio do DNA bakterii, by nabyta zdolność była stabilna, po drugie zaś nauczyć Vibrio żywić się produktami ubocznymi rozkładu plastiku.

Kwestia bezpieczeństwa

Pomysł, by do walki z tonami plastikowych odpadów wykorzystać jedną z najszybciej namnażających się bakterii, naturalnie budzi pytanie o bezpieczeństwo projektu. Co wiemy o bakterii Vibrio natriegens?

To popularna bakteria Gram-ujemna występująca w morzu. Doskonale czuje się w słonym środowisku. W optymalnych warunkach odżywczych obecność sodu sprawia, że mnoży się bardzo szybko. Czas podwojenia jej populacji może wynosić zaledwie 7–10 minut. Dodatkowo nie ma wielkich potrzeb odżywczych. Powszechnie występuje nie tylko w morzu, ale też w osadach i mułach w pobliżu ujścia rzek.

Szczep natriegens jest niebezpieczny m.in. dla uchowców – popularnych morskich ślimaków hodowlanych. Swego czasu, gdy drobnoustrój doprowadził do wymarcia niektórych hodowli, rybacy postanowili walczyć z bakterią, rozsypując duże ilości antybiotyków. To nie tylko nie pomogło, ale sprawiło, że bakteria uodporniła się na 17 z 32 antybiotyków, które na niej przetestowano.

Jednak dla człowieka Vibrio natriegens nie jest groźna, w przeciwieństwie do spokrewnionej z nią bakterii Vibrio vulnificus, którą zakażenie w blisko 20 proc. przypadków kończy się śmiercią.

Bezpieczeństwo Vibrio natriegens i jej ekspresowe tempo namnażania sprawia natomiast, że organizm ten jest bardzo dobrym materiałem do badań biotechnologicznych i od lat znajduje zastosowanie w eksperymentach. Wykorzystuje się ją nie tylko w badaniach nad biodegradacją tworzyw sztucznych, ale też m.in. w branży kosmicznej, bo w kosmosie bakteria ta namnaża się jeszcze szybciej niż na ziemi.

Genetyka na ratunek?

Czy wykorzystanie genetyki jest konieczne do walki z problemem śmieci, który sami stworzyliśmy? Wydaje się, że dziś nie mamy innego wyjścia. Produkcja odpadów jest już tak duża, że bezpośrednio wpływa na zdrowie zwierząt i ludzi, a sam recykling nie wystarczy, by rozwiązać problem. Sztuczne pochodzenie tworzyw sprawia, że w przyrodzie brakuje naturalnie występujących organizmów, które mogłyby rozkładać plastiki. Czy tego chcemy, czy nie, już dziś drobinki tych tworzyw trafiają do naszych organizmów i prawdopodobnie będą wywoływać w przyszłości poważne choroby. Znalezienie sposobu, który pomoże przynajmniej ograniczyć przyrost gór plastikowych odpadów, jest więc w interesie nas wszystkich.