Ideonella sakaiensis

***Ideonella sakaiensis*** เป็นแบคทีเรียจากสกุล *[[Ideonella]]* และวงศ์ Comamonadaceae ที่สามารถย่อยสลายและบริโภคพลาสติก polyethylene terephthalate (PET) โดยใช้เป็นทั้งแหล่งคาร์บอนและแหล่งพลังงาน แบคทีเรียนี้ได้แยกออกมาจากตัวอย่างตะกอนที่เก็บได้จากนอกสถานที่รีไซเคิล ขวดพลาสติก ในเมืองซากาอิ ประเทศญี่ปุ่น

## การค้นพบ
*Ideonella sakaiensis* ถูกระบุครั้งแรกในปี 2016 โดยทีมวิจัยที่นำโดย โคเฮ โอดะ จากสถาบันเทคโนโลยีเกียวโตและ เคนจิ มิยาโมโตะ จากมหาวิทยาลัยเคโอ หลังจากเก็บตัวอย่างตะกอนที่ปนเปื้อน PET ที่โรงงานรีไซเคิลขวดพลาสติกในซาไก ประเทศญี่ปุ่น แบคทีเรียนี้ถูกแยกออกจากกลุ่มจุลชีพในตัวอย่างตะกอน ซึ่งรวมถึง โปรโตซัว และเซลล์คล้ายยีสต์ ชุมชนจุลินทรีย์ทั้งหมดสามารถเปลี่ยนแปลง 75% ของ PET ที่ย่อยสลายแล้วให้กลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้เมื่อถูกย่อยสลายและ ดูดซึม โดย *Ideonella sakaiensis*ในครั้งแรก
## การจำแนกประเภท
### คุณลักษณะทางกายภาพ

*Ideonella sakaiensis* เป็นแบคทีเรียที่ แกรมลบ ใช้พลังงานจากการหายใจแบบใช้ออกซิเจน 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 ออกซิเดส และ catalase แบคทีเรียสามารถเจริญเติบโตได้ที่ช่วง pH 5.5 ถึง 9.0 (โดยมีความเหมาะสมที่ 7 ถึง 7.5) และอุณหภูมิที่  (โดยมีความเหมาะสมที่ ).
thumb|430x430px|''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 *[[Ideonella]]* แต่มีจีโนมที่แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากสปีชีส์อื่น ๆ ที่รู้จักในสกุลนี้ รวมถึง *[[Ideonella dechloratans]]* และ *[[Ideonella azotifigens]]* ซึ่งเป็นเหตุผลที่สนับสนุนการจำแนกประเภทเป็นสปีชีส์ใหม่*

== การย่อยสลายและการนำ PET ไปใช้ ==
[[ไฟล์:PET Abbau.tif|thumb|361x361px|กลไกทางเคมีของเอนไซม์ PETase จาก *I. sakaiensis*]]

*Ideonella sakaiensis* เกาะติดกับพื้นผิว PET และใช้ [[ไฮโดรเลส]] ที่ปล่อยออกมา หรือ [[PETase]] เพื่อย่อยสลาย PET ให้เป็น [[2-Hydroxyethyl terephthalic acid|โมโน (2-ไฮดรอกซีเอทิล) เทเรฟทาเลต]] (MHET) ซึ่งเป็น [[เฮเทอโรดีเมอร์]] ที่ประกอบด้วย [[เทเรฟทาเลต]] (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 [[MHETase]] ที่ติดอยู่กับเยื่อหุ้มเซลล์ด้านนอก กลไกโดยรวมของการย่อยสลายพลาสติก PET จะแสดงในภาพด้านบน องค์ประกอบโมโนเมอร์ เช่น เอทิลีนไกลคอล จะถูกนำเข้าไปใช้โดย *I. sakaiensis* และแบคทีเรียอื่น ๆ หลายชนิด

อีกองค์ประกอบหนึ่งคือ เทเรฟทาเลต ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีความคงทนมากกว่า จะถูกนำเข้าสู่เซลล์ของ *I. sakaiensis* ผ่านโปรตีนขนส่งเทเรฟทาเลต เมื่อเข้าไปในเซลล์ โมเลกุลเทเรฟทาเลตที่มีโครงสร้างอะโรมาติกจะถูกออกซิไดซ์โดย [[terephthalic acid-1, 2-dioxygenase]] และ [[1, 2-dihydroxy-3, 5-cyclohexadiene-1, 4-dicarboxylate dehydrogenase]] ให้เป็นสารกลางที่เรียกว่า [[catechol]] วงแหวนของสาร catechol จะถูกตัดขาดโดย [[Protocatechuate 3, 4-dioxygenase|PCA 3, 4-dioxygenase]] ก่อนที่จะรวมเข้าไปในเส้นทางการเผาผลาญอื่น ๆ (เช่น [[วงจรกรดซิตริก|TCA cycle]]) 

ดังนั้น โมเลกุลทั้งสองที่ได้จาก PET จะถูกใช้โดยเซลล์เพื่อผลิตพลังงานและสร้างโมเลกุลชีวภาพที่จำเป็น ในที่สุด คาร์บอนที่ถูกนำไปใช้จะถูกแร่ธาตุให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และปล่อยออกสู่บรรยากาศ
== ผลกระทบและการใช้งาน ==
การค้นพบ *Ideonella sakaiensis* มีความสำคัญต่อการย่อยสลายพลาสติก PET ก่อนการค้นพบนี้ แบคทีเรียและเชื้อราที่สามารถย่อยสลาย PET ได้มีเพียงไม่กี่ชนิด เช่น *Fusarium solani* และไม่มีสิ่งมีชีวิตใดที่ทราบแน่ชัดว่าย่อยสลาย PET เป็นแหล่งคาร์บอนและพลังงานหลัก การค้นพบ *I. sakaiensis* กระตุ้นให้มีการอภิปรายเกี่ยวกับการย่อยสลาย PET ในฐานะวิธีการ [[PET bottle recycling|การรีไซเคิล]] 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 [[PETase]] ได้ถูกปรับแต่งทางพันธุกรรมและรวมกับ [[MHETase]] เพื่อทำลาย PET ให้เร็วขึ้น ซึ่งยังช่วยย่อยสลาย [[Polyethylene 2, 5-furandicarboxylate|PEF (polyethylene furanoate) plastics]] ด้วย วิธีนี้และวิธีการอื่น ๆ อาจเป็นประโยชน์ในกระบวนการรีไซเคิลและการอัพไซเคิลพลาสติกที่ผสมกัน

=== ระบบการกรองการแข็งตัว ===
ในปี 2021 นักเรียนชั้นประถมศึกษาปีที่ 5 ชื่อจูเลีย สจ๊วต และเจคอบ พาร์ค ได้สร้างแนวคิดระบบการกรองการแข็งตัวสำหรับการประกวด [[Toshiba|Toshiba's]] [[ExploraVision]] โดยใช้ *Ideonella sakaiensis* ในกระบวนการที่กรอง แข็งตัว เกาะตัว และตกตะกอนน้ำในวิธีที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพมากขึ้น โครงการนี้ได้รับรางวัลในกลุ่ม 4-6 ของ ExploraVision ในสหรัฐอเมริกา

== อ้างอิง ==


== แหล่งข้อมูลอื่น ==
* [https://bacdive.dsmz.de/strain/140803 Type strain of *Ideonella sakaiensis* at Bac*Dive'' - the Bacterial Diversity Metadatabase]

หมวดหมู่:Comamonadaceae
หมวดหมู่:แบคทีเรียที่อธิบายไว้ใน 2016
หมวดหมู่:Plastivores