למדענים יש תקווה חדשה שאולי לטבע יש פתרון לפולימרים הבעייתיים ביותר שלנו >>
הביולוג המולקולרי כריסטופר ג׳ונסון שוחח לא מזמן במסיבה עם אורחת אחרת על מחקרו, כפי שמדענים נוהגים לעשות לעיתים קרובות. ג׳ונסון עובד על פירוק של חומרים פלסטיים, שנוטים להיות עמידים במיוחד. האשה עמה הוא שוחח באותו ערב של אירוע לקראת חתונה, ענתה שהיא המומה ונואשת מהמצב: כיצד איננו מצליחים להפסיק להשתמש בחומרים פלסטיים. כיצד הם גודשים את מטמנות הזבל, כיצד המיקרו-חלקיקים שלהם חודרים לאוקיינוסים.
המומה, חשב ג'ונסון. נואשת. "אני רחוק מרחק רב מנקודת מבט זו," אמר ג'ונסון כשנזכר בתגובתו. זאת משום שחומרים פלסטיים אינם סתם אירוע שקורה לג'ונסון. הוא בעצמו אירוע שקורה לפלסטיק. ג'ונסון הוא מדען חוקר במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת, ובשנה האחרונה, הוא ועמיתיו יצרו אנזים ביולוגי שמסוגל ללעוס ביעילות פסולת פלסטית, בדיוק כמו זו שממנה עשויים בקבוקי מים ומיכלי סבון נוזלי. הצוות אופטימי ומקווה שיוכל להנדס עולם שבו בני האדם ימשיכו להשתמש בחומר זה המצוי בכל – בלי שהדבר יגרום לנו להרגיש המומים, באופן מילולי או מטפורי. בעולם זה כחלק ממערכת מחזור רחבה ומוצלחת יותר, מיקרואורגניזמים יפרקו פולימרים לרכיביהם הכימיים, מהם ניתן יהיה להפיק רווח כמוצרים חדשים וטובים יותר.
כיום המיחזור אינו הופך פלסטיק לשום דבר, מבחינה כימית: הוא רק טוחן את הפסולת לפיסות קטנות, כמו כשגורסים נייר. לאחר מכן, משתמשים יצרנים בפיסות אלה לייצור חומר פלסטי באיכות נמוכה יותר. במיחזור הביולוגי, כפי שהמומחים בשטח קוראים לכך, אורגניזמים אוכלי פלסטיק יעניקו לנו בחזרה את אבני הבניין, שמהם ניתן יהיה להכין חומרים חדשים ובסופו של דבר, סחורות חדשות.
צוות המחקר של ג'ונסון הלהיב במיוחד את דמיונו של הציבור, משום שהתגלית שלהם היתה מקרית ושימשה רקע לסיפור מעניין במיוחד. ספקנים חששו שהתגלית תתפוצץ לנו בפנים – שטורפי פלסטיק אלה, המהונדסים גנטית, עלולים להתחיל לכרסם את הפולימרים הלא נכונים. כמו למשל את לוח השעונים במכונית שלנו. בזמן נהיגה. זו אפשרות בעלת סבירות נמוכה, אך לא בלתי אפשרית לחלוטין.
אחרי הכול, כל פסולת הפלסטיק הזו היא כשלעצמה תוצאה לא מכוונת. החומר הסינתטי הנקרא פלסטיק החל את דרכו, בחלקו, כתחליף לשנהב, כדי למנוע טבח בפילים. אך תגלית זו גם הובילה אותנו למקום שבו אנו נמצאים כיום: המומים ונואשים. כמויות הפלסטיק שבני האדם מייצרים מדי שנה – יותר מ-300 מיליון טון – שוקלות בסביבות פי חמש מכל בני האדם יחד.
אנו משתמשים ברוב הפולימרים המודרניים שלנו פעם אחת בלבד: בבקבוקי מים, בבקבוקי שמפו, בבקבוקי חלב, בשקיות של חטיפים, שקיות קניות, מקלוני ערבוב קפה וכלים חד-פעמיים שונים ורבים. מדי שנה, כמעט 9 מיליוני טון של אשפה זו מגיעים לים. ודאי שמעתם על "שטח הפסולת של האוקיינוס השקט": אזור בחצי הצפוני של האוקיינוס השקט שבו זרמים מתערבלים אוספים את כל האשפה הזו. אך האם ידעתם שעד שנת 2050 יכילו האוקיינוסים והימים יותר חתיכות פלסטיק מאשר דגים? הציביליזציה אינה עושה עבודה מוצלחת בניקוי הלכלוך של עצמה. לדעת ג'ונסון ואנשי צוותו, הסיבה לכך נעוצה בחלקה בעובדה שמעולם לא היה תמריץ כלכלי רב לעשות זאת. אך אם ניתן יהיה לקחת את אבני הבניין של החומר הפלסטי ולהכין מהם משהו בעל ערך רב יותר מהמקור – כגון חלפי רכב, טורבינות רוח, או אפילו גלשנים – ניתן יהיה לשנות את כל החישובים בנוגע למיחזור. חברות יכולות להיטיב עם עצמן אם יטיבו עם העולם.
רוב הצוות העובד על פיתוח האנזים שהתגלה במקרה נמצא במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת בגולדן שבקולורדו. הקמפוס צמוד למרגלות הגבעות של הרי הרוקי, אשר מתנשאים בתלילות משטח מישורי לחלוטין לגובה פסגות של 4.2 ק"מ. לוחות סולאריים ניצבים על הגגות של כל הבניינים כמעט. בתוך הבניין של מעבדת בדיקות השטח, שבה עובד הצוות, צינורות תשתית בשלל צבעי הקשת מתוחים לאורך התקרות והקירות. מעבדות מלאות מקררים, אינקובטורים ומיקרוסקופים בעלי עוצמה גבוהה מזמזמות מאחורי כניסות הנפתחות בעזרת תגים מיוחדים בלבד. ובחדר ישיבות קטן בקומת הקרקע, מטריצת מסכים מאירה על ארבעה מדענים.
הם, יחד עם עמיתיהם בפלורידה, באנגליה ובברזיל, מהווים משהו כמו צוות חלומות למחקר ביו-מיחזור מיוחד זה: ניקולאס רוֹרר ( Nicholas Rorrer) יוצר פולימרים. גרג בקהאם (Gregg Beckham) מנסה להבין כיצד חומרים כימיים של חיידקים ופטריות מפרקים תרכובות כמו תאית, המרכיב העיקרי בדפנות של תאי צמחים וירקות. בריון דונוהו (Bryon Donohoe) חוקר כיצד פועלים תאים עם אנזימים אוכלי פולימרים. ג'ונסון מהנדס תאים מסוג חדש המפרישים אנזימים כאלה. כל אחד מתחומי התמחות אלה הוא קריטי לחקירה כיצד חיידקים מפתחים תיאבון לפלסטיק – וכיצד לתמרן אותם לזלול בצורה יעילה יותר. על גבי אחד המסכים שמאחוריהם, אנזים מחליק לאורך תאית המוצגת בתקריב, נוגס גדילים בודדים ויורק אותם חזרה כגושי סוכר – חוויית האכילה המוחלטת תוך כדי תנועה. לדברי המדענים, הדמיה זו דומה מאד לדרך שבה פולימר פוגש את סופו.
הצוות למד על התופעה לראשונה, כשגיליון חודש מרץ 2016 של כתב העת Science פרסם ידיעה על כך שמדענים ביפן גילו מין מוזר של חיידק בדגימות עפר ליד מפעל למיחזור בקבוקים בעיר סאקאי. הוא יכול לנגוס בפוליאתילן טרפתאלט, הידוע בראשי התיבות PET, חומר שיצרנים מרבים להשתמש בו לייצור בקבוקים ומכלי פלסטיק. צוות בראשות קנג'י מיאמוטו (Kenji Miyamoto), ביו-מדען באוניברסיטת קייו (Keio), גילה שהאורגניזם מפריש החוצה אנזים, שהם כינו בשם פיטאז (PETase), שפירק את הפולימר לאבני הבניין הכימיות שלו. הם קראו לאורגניזם מופלא זה בשם Ideonella sakaiensis, על שם עיר מולדתו. עם זאת, מבלי לזלזל ב-Ideonella, הוא לא עבד מספיק מהר: במשך שישה שבועות של מזג אוויר טרופי, הוא היה מסוגל לפרק רק שכבה דקה מאד של PET. לא בדיוק הדבר המתאים למפעלי מיחזור יעילים. בנוסף, כדי לגדל אותו היו דרושים טיפול והזנה קפדניים.
זמן קצר לאחר שהתפרסם המאמר בכתב העת, מצא את עצמו בקהאם באנגליה, כשהוא לוגם בירה בחברת ג'ון מקגיהאן (John McGeehan) מאוניברסיטת פורטסמות', עמית בתחום חקר התאית ומומחה למיפוי המבנים של אנזימים זעירים. הם ערכו סיעור מוחות כיצד לאחד כוחות במטרה להבין טוב יותר כיצד פיטאז מעכל PET. אחרי הכול, הם כבר בדקו במסגרת עבודתם כיצד יצורים טבעיים מפרקים חומרים טבעיים – לדוגמה, כיצד חיידקים ופטריות משתמשים באנזימים כדי לעכל תאית. אולי עבודתם תוכל לעזור להם להבין כיצד יצורים טבעיים מפרקים גם חומרים סינתטיים.
לאחר סיעור המוחות שלהם על כוס בירה, גייסו השניים את ג'ונסון, דונוהו ורורר, וכן עמית נוסף מפלורידה, לי ווּדקוֹק (Lee Woodcock), שדגמי המחשב המתוחכמים שלו מדמים כיצד פועלת הכימיה ברמת התא. לאחר מכן הם יצאו לדרך. תחילה היה עליהם להבין כיצד פיטאז מפרק את הפלסטיק שבחר בו. מולקולות בפולימר הן כמו אבני לגו מחוברות, שניתן גם להפריד ביניהן. לגבי PET, פיטאז הוא הכוח המפריד. אך כדי להבין כיצד פיטאז יכול לאחוז ולהפעיל כוח על מולקולות פלסטיק, היה הצוות חייב להשיג כמות מספקת של האנזים כדי שיוכל למפותו.
כאן נכנסה לתמונה המומחיות בתאים של ג'ונסון. תוך שיתוף פעולה עם חברה חיצונית, הם סינתזו את הגן שמייצר פיטאז כדי שניתן יהיה להחדירו לחיידק אי קולי, אורגניזם חד-תאי שקל לגדל אותו במעבדה במהירות. הוא שלח את הקוד הגנטי אל המעבדה של מקגיהאן, בצד השני של האוקיינוס. שם, חיידק הרעלת המזון שעבר מוטציה, החל לאכול ולהפריש פיטאז. מקגיהאן גרר את אנזים הפיטאז להתקן עם מיקרוסקופ רנטגן עוצמתי במיוחד המשתמש באור חזק פי 10 מיליארד מאור השמש כדי לבדוק דגימות ולצלם תמונות בקנה מידה אטומי. בתוך המיקרוסקופ האקזוטי, מגנטים שעוברים קירור-על מיקדו את קרני הרנטגן עד שהמדענים יכלו לראות את הפיטאז עצמו – ולא רק את החומר דמוי המרק שהוא מותיר אחריו.
האנזים נראה בעין בלתי מזוינת כבן-כלאיים של ספוג ים ומוח אנושי. או, אם אתה ביולוג בר מזל במיוחד, הוא נראה כמעט כמו קוטינאז, המפרק קוּטין – פולימר דמוי שעווה שעוטף צמחים רבים. בקוטינאז יש שקע דמוי האות U שמתאים בדיוק לקוטין. לפיטאז יש את אותו שקע בצורת U, רק רחב יותר, כמו קוטינאז בחדר מראות בלונה פארק. השקע בצורת U של הפיטאז מתאים בדיוק ל-PET, כמו שני צדדים של שרשרת ידידות.
זה לא מפתיע חשב בקהאם בזמנו: האנזים, כך התנהל חוט מחשבתו, התפתח במקור כדי לאכול קוטין, אך הסתגל ככל הנראה, בנוכחות של אשפה כה מרובה, ואימץ לעצמו מזון מועדף חדש.
כשהצורה, הפונקציה והרעיון האבולוציוני בידם, מסרו חברי הצוות את המאמר שלהם לפרסום באוקטובר 2017. אך סיפור המקור שלהם – החלק החביב ביותר עליהם – היה בעייתי. "אחד מסוקרי המאמר שלנו אמר, 'לא, אתם חייבים להראות את זה,' נזכר בקהאם. זו תהיה פעילות מחורבנת, כך תיאר לעצמו. היה נראה ברור לגמרי שפיטאז התפתח מקוטינאז. אך כדי להראות שהדבר אמנם קרה, היה עליהם להחזיר אחורה את השעון האבולוציוני, לכווץ בחזרה את השקע הרחב בצורת U של הפיטאז לשקע U זעיר של קוטינאז, ותוך כדי התהליך, כך חשבו, לגרום לו שלא יהיה מסוגל, או לפחות מסוגל פחות, ללעוס פלסטיק. לאחר מכן היה עליהם להפוך כיוון, ולשנות את הקוטינאז חזרה לפיטאז, כדי להראות כיצד האחד הפך לשני. בקהאם עתיד היה לאכול (וגם לעכל) את מילותיו.
הצוות פתח בחצי הראשון של הניסוי בשלהי שנת 2017, הפיכת פיטאז חזרה לקוטינאז. תחילה, הם תמרנו את הדי- אן-איי שיוצר את האנזים פיטאז. באופן ספציפי, הם גרמו למוטאציה בשתי חומצות אמיניות כך שהתחליפים שלהן קיבלו צורת U, ויצרו אנזים קרוב יותר לקוטינאז. מצידו החל רוֹ ֶרר, איש הפולימרים, לאסוף בקבוקים מעמיתים, כולל של המשקאות החביבים על אנשי הצוות, כמו דיאט פפסי ודיאט ד"ר פּפּר. (כיום, הבקבוקים המושלכים עדיין עומדים על מדף במשרדו). הוא השתמש במחורר משרדי רגיל כדי לחורר ולהוציא עיגולי פלסטיק. לאחר מכן, הוא הניח אותם יחד עם גרסאות של האנזים שעבר שינוי, וציפה שכאשר יחזור למעבדה, הוא ימצא שחלה בו התקדמות מינימלית, אם בכלל.
אך זה לא מה שקרה. כשרורר חזר לאחר ארבעה ימים, הוא מצא שהאנזים שיצר לא רק שעבד, אלא חיסל כ-30 אחוז יותר מהפיטאז שהגיע ממפעל המיחזור בסאקאי. חברי הצוות החלו לפקפק בעצמם. אולי שמתי תוויות לא נכונות על הדגימות, חשב לעצמו רורר. דונוהו, המומחה לפירוק תאים, חשד שהם התבלבלו בין הדגימות. הם חזרו על הניסוי עוד פעמיים, אך המשיכו לקבל את אותה תוצאה: לאנזים החדש היה תיאבון גדול.
דונוהו נזכר: "אמרתי לעצמי, 'אני מניח שאין לנו ברירה אלא להאמין לזה, למרות שאני לא מבין איך.'"
השאלה עדיין נותרה פתוחה אם הקוטינאז הפך לפיטאז, באופן הברור מאליו שהצוות שיער. אך התוצאה הלא צפויה עדיין היתה חדשות טובות. פירושה היה שביכולתם לשפר את מה שהאבולוציה כבר החלה לרקום. "הטבע לא מצא בהכרח את הפתרון האולטימטיבי," אומר בקהאם, המהנדס הכימי. כשהכריזו על התגלית באפריל 2018, אנשים לא הפסיקו להרים גבה, וכל מי ששמע על כך נאחז במקריות שבעניין. ג'ון מקגיהאן קיבל פרס הצטיינות (Goop award) ממותג הבריאות הפסבדו-מדעי של השחקנית גווינת' פאלטרו. הוא ניסה לדחות את הפרס, אך מסתבר שאין אפשרות לסרב לגווינת' פאלטרו. אך בעיני הצוות שלו, להיות מפורסמים לא היה מספיק. וגם שיפור קל של הפיטאז לא היה מספיק.
"אני מניח שיש כאן עדיין מקום לשפר אותו הרבה יותר," אומר בקהאם.
התברר כי Ideonella sakaIensIs ממש איננו האורגניזם היחידי שיכול להשתמש בפסולת פלסטיק כדלק. "נראה שחיידקים מתפתחים בדיוק כדי לאכול כל מיני דברים שנמצאים בסביבתם," אומר ג'ונסון, המהנדס הגנטי. ביולוגים יודעים כבר עשרות שנים שאנזימים קיימים, כגון האסטראזים שחיידקים ופטריות מפרישים, יכולים לפרק PET וניילון. חלקי הפלסטיק שצפים באגם ציריך נושאים עימם ארבעה אורגניזמים שביכולתם לפרק פוליאורתן. באוקיינוס, גילו חוקרים בהודו מיני חיידקים שיכולים לפרק פוליוויניל אלכוהול, חומר שהופך נייר לעמיד למים. קבוצה אחרת מצאה פטרייה שגם הקוטינאז שלה גורס PET. אך אף אחד מהאורגניזמים הללו עדיין אינו יכול לסעוד את ליבו במהירות מספקת כדי שניתן יהיה להשתמש בו לתועלת התעשייה – עדיין. עם יותר מ-300 מיליון טון פלסטיק המיוצרים מדי שנה, אורגניזמים יצטרכו לכרסם כ-906,000 טון בכל יום בשבוע כדי להשלים את העבודה. ארבעת הימים שלוקח לפרק את השטח החיצון של בקבוק דיאט ד"ר פפר, פשוט אינו מספיק מהיר.
במסע שלהם למציאת אוכלי פולימרים מוצלחים יותר, גייס צוות החלומות לאחרונה שחקנים חדשים מאוניברסיטת מדינת מונטנה, החוקרים אקסטרמופילים החיים במים הרותחים שבבריכות הססגוניות של ילוסטון. תיירים שמצלמים "סלפי" במקום משליכים הרבה אשפה לתוך מעיינות חמים אלה. פלסטיק נמס בטמפרטורות כגון אלה – לעתים יותר מ-200 מעלות צלזיוס.
לחיידקים, לעיסה של פסולת מחוממת יתר על המידה דומה ללקיחת סמי מרץ: הכול מתרחש הרבה יותר מהר. אילו היו המדענים יכולים למצוא אקסטרמופיל, או להנדס אחד כזה, שאוהב חום וגם אוכל PET, הם יתקרבו צעד נוסף לקראת תהליך שיעבוד מספיק מהר כדי שיוכל להיות שימושי בעולם האמיתי.
תחת תרחיש שכזה, מפעל מיחזור עתידי יחמם או יחתוך את הפלסטיק, ולאחר מכן ישליך אותו אל תוך סיר ענק עם מים חמים ויפזר בפנים קצת פיטאז (או אנזים רעב אחר). הדבר ייצור מרק של מרכיבים בעלי שמות מסובכים: חומצה טרפתאלית ואתילן גליקול, החומרים שחברות יכולות לעבד לפולימרים חזקים יותר, בעלי ערך רב יותר.
אך תחילה הם זקוקים לאנזים מוצלח יותר. "החיים ימצאו דרך," אומר בקהאם בפּרפרזה על פארק היורה. ובכל זאת, ניתן לעזור לטבע. לכן מתחיל הצוות בכך שהוא מנצל את סודה של האבולוציה: מוטאציות אקראיות. לעתים, גורם קוד גנטי חדש ליצור כלשהו להתאים טוב יותר לסביבה, והחיידק מעביר תכונה חדשה ומוזרה זו לדור הבא. במעבדה ניתן להאיץ את האבולוציה בכך, נאמר, שמאכילים את אוכלי הפלסטיק הפוטנציאליים רק ב-PET. אם לא יישבו לשולחן, הם יגוועו ברעב.
הצוות גם מנסה ליצור חיים חדשים באמצעות הזרקת הגן של פיטאז לחיידקים שהם פחות בררנים מ-Ideonella. בקהאם שולף מאמר שטרם פורסם וגולל לתמונות של לפני ואחרי. אחרי ארבעה ימים במבחנת מעבדה עם מוטציה חדשה, חתיכה של פלסטיק מחורר הפכה להיות מה שהוא מכנה "מרק של זבל". כאשר "זבל" כאן הוא חלקי פלסטיק לעוסים.
במילים אחרות, המאמץ עובד. בשעה שבקהאם מתבונן בתמונות, הוא צוחק ונזכר בלינק שאנשים שלחו לו כשהמאמר הראשון של הצוות יצא לאור. הלינק הוביל לספר משנת 1971 שנקרא מוטאנט 59: אוכלי הפלסטיק. בסיפור זה, וירוס מפרק פולימרים יוצא משליטה – הורס חלליות, גורם להתרסקויות מטוסים, מטביע צוללות, וגורם לתוהו ותוהו בלתי נשלט בזמן שהוא מחסל כמעט את כל החומרים הפלסטיים בעולם.
חוקרים שאינם סופרי מדע בדיוני מתכננים שהאורגניזמים המהונדסים שלהם יישארו במעבדה, בתוך מבחנות, ובסופו של דבר ישמשו בתהליכים תעשייתיים. אורגניזמים כאלה אולי כבר קיימים בעולם הרחב, לאחר שהתפתחו בדרך הישנה. זיכרו שבעולם קיימים חיידקים שאוכלים הרבה דברים שונים שאנו אוהבים: מתכת, לחם, גבינה ואפילו את העור שלנו. ועדיין כולנו כאן, נוגסים לחם וגבינה ויושבים על כיסאות מתכת. בהינתן העובדה שהם החלו להתפתח לפני עידנים רבים, החיידקים עדיין לא הצליחו להשתלט על העולם. ולכן, אלא אם כן הטבע ישתפר בצורה ראויה לציון, במהירות ראויה לציון (נדרשו כ-50 שנה להכנת הגרסה הלא- יעילה של פיטאז), או ששחקן אלים ייכנס פתאום לתמונה, שום יצור מיקרוסקופי מרושע לא ינגוס בקיאק או בצידנית הפלסטיק שלכם בזמן הקרוב.
בקהאם כן מייחס משקל מסויים לחשש שפחמן אשר ייפלט בזמן העיכול, יהפוך בסופו של דבר לדו-תחמוצת הפחמן, גז חממה אשר מאיץ את שינויי האקלים. אך תוספת זו תתגמד לעומת גזים הנפלטים מתעשיות אחרות. הצוות שלו אינו רוצה לראות עולם חם מדי וגם לא עולם ללא פלסטיק.
במקום זאת, מטרתו היא ליצור תמריץ כלכלי אמיתי למיחזור רוב הפולימרים. ברגע זה, מה שיוצא בקצה השני של תהליך המיחזור הוא פשוט PET עם קשרים חלשים יותר: כמעט בלתי אפשרי לייצר ממנו בקבוק חדש, ושוויו הוא כ-75 אחוז ממחיר הפלסטיק המקורי. הוא משמש בתעשיית הטקסטיל או השטיחים. ואלו מגיעים בסופו של דבר כפסולת למטמנות זבל.
אך פירוק ביולוגי של פלסטיק לעומת זאת, מייצר רכיבים שניתן ליצור מהם חומרים יקרים כגון קוולאר, הנמכר במחיר גבוה פי שניים או שלושה ממחירו של PET ממוחזר ומשמש במוצרים עמידים ללחץ כמו גלשנים וסנובורדים. חומרים אלה מעניקים לחברות סיבה כלכלית למיחזור פלסטיק. יזמים וממציאים יוכלו אפילו להשתמש בהם לבניית מטוסים קלים יותר, מכוניות יעילות יותר, ומוצרים קשיחים אך קלי משקל שטרם חשבנו עליהם. חומרים שאולי יתרמו את חלקם להפחתת הפליטה של גזי חממה.
עולם זה לא יגיע מחר, וגם לא בשנה הבאה. אך הוא עשוי להגיע בעתיד הנראה לעין, שיהיה מסונתז דרך החיידקים של צוות החלומות, או צוותים אחרים, וכל מה שהטבע יניח על שולחן הפיקניק של הפולימרים. אם הם יצליחו, נוכל כולנו להתקיים לצד החומרים הפלסטיים, ולא בראש ערימת זבל שלהם.
