«Οι σαπρόφυτοι μικροοργανισμοί, όπως είναι οι μύκητες μασουλάνε ό,τι σάπιο φυτικής προέλευσης βρίσκουν στη φύση. Εμείς τους παρακολουθούμε για να δούμε τους μηχανισμούς που χρησιμοποιούν για να διασπούν τη βιομάζα, τους ‘κλέβουμε’ τα ένζυμα, φτιάχνουμε ωραία ενζυμικά κοκτέιλ και τα εφαρμόζουμε στη βιομηχανία για να συνθέσουμε νέα βιοπολυμερή ή βιοπροϊόντα», και κάπως έτσι ξεκινά η συζήτηση με τον Αναπληρωτή Καθηγητή στον τομέα της Βιομηχανικής Βιοτεχνολογίας (Industrial Biotechnology), στη Σχολή Χημικών Μηχανικών του ΕΜΠ, κ. Ευάγγελο Τόπακα, το εργαστήριο του οποίου πρωτοπορεί παγκοσμίως και, μέχρι στιγμής, είναι το μοναδικό που δραστηριοποιείται ερευνητικά στη Βιομηχανική Βιοτεχνολογία στην Ελλάδα.
«Κάποια από αυτά τα ένζυμα των μικροοργανισμών (βακτηρίων ή μυκήτων) έχουν τη δυνατότητα να διασπούν τον πολυτερεφθαλικό αιθυλεστέρα, το γνωστό PET.
Έχουμε για παράδειγμα διαπιστώσει ότι ο σαπροφυτικός μύκητας Fusarium oxysporum που τρώει την τομάτα μπορεί να φάει και το πλαστικό. Εμείς ψάχνουμε για τέτοιους μικροοργανισμούς που έχουν τη δυνατότητα να αποικοδομούν το πλαστικό και στοχεύουμε κυρίως στο πλαστικό μιας χρήσης, γιατί αυτό επιβαρύνει περισσότερο από όλα το περιβάλλον», συμπληρώνει ο καθηγητής, ο οποίος μόλις μου έχει περιγράψει συνοπτικά και το BioICEP (Bio Innovation of a Circular Economy for Plastics), που είναι ένα από τα σημαντικά έργα που «τρέχει» με την ερευνητική του ομάδα IndBioCat (Industrial Biotechnology & Biocatalysis Group), με χρηματοδότηση από το πρόγραμμα Horizon 2020.
IndBioCat
Το γκρουπ των ερευνητών στο οποίο ηγείται ο καθηγητής δημιουργεί μοντέλα κατασκευασμένα από PET, στη συνέχεια προσθέτει τους μύκητες και παρακολουθεί την επερχόμενη υποβάθμισή τους. «Διαπιστώσαμε ότι ένα ένζυμο του μύκητα Fusarium oxysporum που ονομάζεται κουτινάση μπορεί να υποβαθμίσει το πλαστικό. Ωστόσο, δεν πρόκειται για κάτι εύκολο», εξηγεί ο Δρ. Τοπάκας.
Από τη δεκαετία του 1950 έχουν παραχθεί περίπου 8,3 δισεκατομμύρια τόνοι πλαστικού, το 60% των οποίων έχει καταλήξει σε χώρους υγειονομικής ταφής ή στο φυσικό περιβάλλον.
Τα πλαστικά εξαιτίας της πυκνής δομής των μορίων τους και της «κρυσταλλικότητας» που εμφανίζουν παρουσιάζουν ιδιαίτερη δυσκολία κατά τη διάσπαση. Για αυτό και ο καθηγητής προτείνει μια προεπεξεργασία του πλαστικού έτσι ώστε να καταστεί πιο ευάλωτο σε μια ενζυμική, μικροβιακή ή βιολογική επίθεση.
Σύμφωνα με τον Έλληνα επιστήμονα, το πλαστικό πρέπει πρώτα να θρυμματιστεί για να μειωθεί η κρυσταλλικότητά του και για να αποδυναμωθεί η συνοχή των πολυμερών ώστε να δράσουν τα ένζυμα.
Σύμφωνα με τα μοντέλα που επεξεργάζεται ο ίδιος και η ομάδα του μέσα στο εργαστήριο, τα ένζυμα μπορούν να διασπάσουν μια ποσότητα προεπεξεργασμένου πλαστικού μέσα σε 10 ώρες.
Ωστόσο, οι ερευνητές έχουν ακόμη πολλή δουλειά μπροστά τους προτού η διαδικασία βγει από το εργαστήριο.
Ο καθηγητής Τοπάκας προσθέτει ότι στο εργαστήριό του εξετάζουν επίσης πώς να διασπάσουν το πλαστικό PET στα δομικά του στοιχεία και μετά να ‘ταΐσουν’ μικροοργανισμούς με αυτό το υλικό για να φτιάξουν βιοδιασπώμενο πλαστικό. «Η ιδέα είναι να δώσουμε έμφαση σε χώρους ανακύκλωσης, να αξιοποιήσουμε τις υποδομές διαχείρισης απορριμμάτων ώστε να εκμεταλλευτούμε μια μεγάλη ποσότητα πλαστικών, να τα διασπάσουμε και να φτιάξουμε άλλα είδη υλικού ή βιοπροϊόντα. Αυτό αλλιώς ονομάζεται κυκλική οικονομία», συμπληρώνει ο ίδιος.
Ο στόχος του έργου BioICEP, που είναι μια πανευρωπαϊκή-κινεζική κοινοπραξία με 12 ευρωπαίους και 3 Κινέζους εταίρους είναι να αναπτύξει βιώσιμες και φιλικές προς το περιβάλλον εναλλακτικές λύσεις στα παραδοσιακά πλαστικά με βάση το πετρέλαιο και να μειώσει το φορτίο των πλαστικών αποβλήτων.
«Χρησιμοποιώντας μια καινοτόμο διαδικασία τριπλής δράσης, η ομάδα του έργου BioICEP θα προσπαθήσει να μιμηθεί τη δυνατότητα της φυσικής υποβάθμισης της φυτικής βιομάζας από μικρόβια για τη συστηματική βιομετατροπή των πλαστικών απορριμμάτων σε προϊόντα προστιθέμενης αξίας, θα εξετάσει υπάρχουσες και νέες βιοτράπεζες μυκήτων και βακτηρίων ως αποικοδομητές πλαστικών και ως παραγωγούς βιοπλαστικών και θα δημιουργήσει κοινοπραξίες μικροοργανισμών για τη βιοαποικοδόμηση μικτών πλαστικών απορριμμάτων.
Τα παράγωγα αυτής της διαδικασίας αποδόμησης θα χρησιμοποιηθούν ως δομικά στοιχεία για την παραγωγή νέων πολυμερών ή άλλων βιοπροϊόντων στη λογική μιας κυκλικής οικονομίας ή ενός βιοδιυλιστηρίου βασισμένο στα πλαστικά απόβλητα», εξηγεί ο Έλληνας καθηγητής.
PlastOmics για την ανακάλυψη και ταυτοποίηση νέων ενζύμων
Η ερευνητική ομάδα IndBioCat στην οποία επικεφαλής είναι ο Έλληνας επιστήμονας είναι πρωτοπόρα στην Ελλάδα στην πλαστική απορρύπανση μέσω της βιοτεχνολογίας.
Βασικό χαρακτηριστικό της ομάδας αυτής είναι ότι έχει τη δυνατότητα να σχεδιάσει ένα προϊόν, έναν βιοκαταλύτη (ένζυμο) για παράδειγμα, από το επίπεδο γονιδίων μέχρι την τελική του μορφή χρησιμοποιώντας μεθόδους εξόρυξης γονιδίων (gene mining) μέσω βιοπληροφορικής ανάλυσης, ομικών τεχνολογιών, κ.ά. και να το παραγάγει σε κλίμακα μέσα σε βιοαντιδραστήρες που διαθέτει το εργαστήριο μέσα στον χώρο του ΕΜΠ, προσομοιώνοντας έτσι τη βιομηχανική παραγωγή ενός βιοτεχνολογικού προϊόντος.
Σύμφωνα με τον ίδιο, η ομάδα αναζητά γονίδια ενδιαφέροντος μέσα σε μικροοργανισμούς και, αφού τα βρει, προχωρά στην ετερόλογη υπερέκφραση αυτών των γονιδίων και παράγει εργαστηριακά μέσα σε μικροβιακούς ξενιστές (όπως είναι η μεθυλότροφη ζύμη Pichia pastoris και το βακτήριο Escherichia coli) ένζυμα-‘στόχους’ με βιομηχανικό δυναμικό. Κατόπιν προχωρά στη βιοτεχνολογική τους αξιολόγηση για τη διάσπαση των πλαστικών ή για την παραγωγή προϊόντων βιομηχανικού ενδιαφέροντος.
Στη βάση αυτής της λογικής, στο πλαίσιο του έργου «PlastOmics: Discovery of novel enzymes for the bioconversion of plastics using multi-omics», η ερευνητική κοινοπραξία μεταξύ του ΕΜΠ, του Ινστιτούτο Θαλάσσιας Βιολογίας, Βιοτεχνολογίας και Υδατοκαλλιέργειας (IMBBC), του Πανεπιστημίου Πατρών και του Ινστιτούτου Μοριακής Γενετικής και Γενετικής Μηχανικής στο Βελιγράδι, εξετάζει μια συλλογή μυκήτων, που έχουν απομονωθεί από μολυσμένες περιοχές, ως προς την ικανότητά τους να προχωρούν σε βιομετατροπή συνθετικών πολυμερών που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα, όπως ο πολυτερεφθαλικός αιθυλεστέρας, η πολυουρεθάνη, το πολυαιθυλένιο και το πολυστυρένιο.
Οι πιο ικανές απομονώσεις θα χαρακτηριστούν με βιοπληροφορικές αναλύσεις δεδομένων πολλαπλών ομικών στοιχείων όπως Γενομική, Μεταγραφομική και Πρωτεομική ανάλυση, για να αποκαλύψουν μονοπάτια αποδόμησης πολυμερών και των αντίστοιχων γονιδίων, δρώντας έτσι συμπληρωματικά ως προς το ερευνητικό έργο BioICEP.
Αυτά τα γονίδια θα εκφραστούν στη συνέχεια σε ετερόλογους ξενιστές και θα χαρακτηριστούν τόσο βιοχημικά όσο και δομικά διερευνώντας έτσι τον καταλυτικό μηχανισμό των ενζύμων.
Στόχος του PlastOmics είναι να δημιουργήσει ένα «οπλοστάσιο» βιοκαταλυτών για την αποικοδόμηση πλαστικών.
IndBioCat
EnZyReMix: Ενζυμική ανακύκλωση μικτών πλαστικών
Τα περισσότερα πλαστικά που χρησιμοποιούμε σήμερα αποτελούνται από μακρομόρια δομημένα από επαναλαμβανόμενες μονάδες μικρών μορίων που ονομάζονται μονομερή. Τα πλαστικά συχνά κατασκευάζονται από δύο ή περισσότερους τύπους υλικών και μετά την κατανάλωση συλλέγονται σχεδόν πάντα ως μικτό ρεύμα αποβλήτων.
Τα κακά νέα είναι ότι αυτά τα αντικείμενα και γενικά όλα τα πλαστικά είναι χημικά και ασύμβατα με τη φύση και δεν υπάρχει καλή βιομηχανική μέθοδος για την επαναχρησιμοποίηση ή την επανεπεξεργασία τους σε άλλα χρήσιμα προϊόντα.
Γι' αυτό τα περισσότερα από αυτά τα «ανακυκλώσιμα» που ρίχνονται στους κάδους κάθε εβδομάδα καταλήγουν σε χωματερή. Ακόμη και μετά από προσεκτική διαλογή και διαχωρισμό σε μεμονωμένα πλαστικά, η μηχανική ανακύκλωση συνήθως αποδίδει προϊόντα κατώτερης ποιότητας, που ονομάζονται down-cycling.
Τώρα η ομάδα του δρα. Τόπακα, αξιοποιώντας την επιλεκτικότητα των ενζύμων στην κατάλυση συγκεκριμένων χημικών αντιδράσεων, στοιχείο σημαντικό για την ανάπτυξη νέων «πράσινων» χημικών διεργασιών που έχουν ήδη υιοθετηθεί στη βιομηχανία φαρμάκων και τροφίμων, θα μετατρέψει τα μικτά πλαστικά απόβλητα σε μια ενιαία χρήσιμη χημική πρώτη ύλη.
Πιο συγκεκριμένα, θα επιδιώξει το διαχωρισμό και την ανακύκλωση πλαστικών απορριμμάτων μέσω του ερευνητικού προγράμματος EnZyReMix που θα ξεκινήσει τον Φεβρουάριο του 2024, εφαρμόζοντας ουσιαστικά ένα είδος καταλυτικής ανακύκλωσης.
«Ο βασικός στόχος του EnZyReMix (ChemoEnzymatic recycling of mixed plastic waste), ενός συνεργατικού σχήματος μεταξύ ΕΜΠ και Πανεπιστημίου Πατρών, είναι να αποτελέσει υπόδειγμα μιας κυκλικής οικονομίας πλαστικών, όπου, μέσω της ανάπτυξης καινοτόμων μεθόδων διαχωρισμού μιγμάτων πλαστικών απορριμμάτων, τα προκύπτοντα μονομερή και ολιγομερή να μπορούν να επαναπολυμεριστούν χημικά και βιολογικά ξεπερνώντας τα εμπόδια της μηχανικής τους ανακύκλωσης.
IndBioCat
Τα επιλεγμένα ένζυμα θα βελτιωθούν μέσω Πρωτεϊνικής Μηχανικής με στόχο την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς βιοκαταλυτών με 'προτίμηση' σε πλαστικά μιας χρήσης όπως το PET ή PLA (πολυγαλακτικό οξύ που είναι ένα πλαστικό που χρησιμοποιείται ευρέως ως βιοδιασπάσιμο υλικό συσκευασίας αλλά με μεγάλους χρόνους βιοαποικοδόμησης)», καταλήγει ο Έλληνας επιστήμονας.
