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).
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.
"Ideonella sakaiensis" เกาะติดกับพื้นผิว PET และใช้ ไฮโดรเลส ที่ปล่อยออกมา หรือ PETase เพื่อย่อยสลาย PET ให้เป็น 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 PCA 3, 4-dioxygenase ก่อนที่จะรวมเข้าไปในเส้นทางการเผาผลาญอื่น ๆ (เช่น 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 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 PEF (polyethylene furanoate) plastics ด้วย วิธีนี้และวิธีการอื่น ๆ อาจเป็นประโยชน์ในกระบวนการรีไซเคิลและการอัพไซเคิลพลาสติกที่ผสมกัน
ระบบการกรองการแข็งตัว.
ในปี 2021 นักเรียนชั้นประถมศึกษาปีที่ 5 ชื่อจูเลีย สจ๊วต และเจคอบ พาร์ค ได้สร้างแนวคิดระบบการกรองการแข็งตัวสำหรับการประกวด Toshiba's ExploraVision โดยใช้ "Ideonella sakaiensis" ในกระบวนการที่กรอง แข็งตัว เกาะตัว และตกตะกอนน้ำในวิธีที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพมากขึ้น โครงการนี้ได้รับรางวัลในกลุ่ม 4-6 ของ ExploraVision ในสหรัฐอเมริกา