Plastična masa koja sama sebe razgrađuje – zahvaljujući kvascu

Čovjek i kvasac poznaju se oduvijek. Još je naime u kamenom dobu čovjek naučio kako da ga iskoristi za dizanje tijesta (da bi ispekao kruh), za varenje piva i vrenje mošta. Ne samo to! Kvasac se može jesti, primjerice u obliku umaka – jer mikroorganizmi koji ga čine zapravo su jednostanične gljive. Kvaščeve gljivice su, kao što rekoh, jednostanični organizmi, no naročite vrste. Dok stanice bakterija i arheja nemaju jezgru, kvaščeve gljivice je imaju, one su – kako bi rekli biolozi – eukarioti, za razliku od bakterija i arheja koji su prokarioti. I još: kvasci su fakultativni anaerobi. To znači da im je kisik dobrodošao, ali mogu živjeti i bez njega. No, da, zaboravio sam najvažnije: rastu na ugljikohidratima (šećerima), a produkt njihovog metabolizma je poglavito alkohol (etanol) i ugljikov dioksid. Oba metabolita vidimo u pivu, a po jedan u vinu (alkohol) i kruhu (ugljikov dioksid). No, to nije sve što kvasac može dati.

Kvasac, točnije njegove gljivice (Saccharomyces cerevisiae) mogu poslužiti za zbrinjavanje plastičnog otpada. Upravo o tome govori znanstveni rad američkih znanstvenika „Genetically programmed engineered living materials as high-performance bioplastics“ objavljen u časopisu Matter.

Zamisao je jednostavna. Već je dugo poznato da se povezivanjem dvaju polimera, jednog sintetskog, poli(etilenglikol-diakrilata) (PEGDA), i jednog prirodnog, BSA (bovine serum albumin = albumin iz seruma goveđe krvi), može dobiti biorazgradivi polimer, jer – i to je jasno – BSA je protein, a proteine razgrađuju enzimi, proteinaze. Stoga bi trebalo predmete od polimera BSA-PEGDA nakon upotrebe staviti u otopinu s proteinazom i pustiti da ona odradi svoj posao. Lijepa zamisao, ali daleko od jednostavnosti. Predmeti od plastike su čvrsti i nepropusni, što znači da proteinaze mogu djelovati samo na njihovoj površini. Usto su enzimi, općenito govoreći, vrlo osjetljivi, što znači da ne traju dugo, a i proizvodnja im je – točnije, izolacija iz biološkog materijala – komplicirana i skupa. Gdje je rješenje? Rješenje je u kvascu.

Kvasac naime izlučuje enzim koji razgrađuje proteine (proteinazu A), izlučuje je stalno, dokle god živi. Treba dakle napraviti biorazgradivi polimer (BSA-PEGDA) s primiješanim kvaščevim gljivicama koje će ga, kako bi se reklo, iznutra razgraditi. I to je dobra ideja, ali samo na prvi pogled. Problem je što će kvasac početi raditi čim se primiješa u polimer, a to znači da polimer neće dugo trajati.

I tu dolazi konačno rješenje, rješenje koje vidimo već iz naslova spomenutog rada („genetically programmed enigeered living materijals“). Riječ je dakle od čovjekovim potrebama prilagođenoj živoj tvari (engineered living material, ELM). Da čitatelja ne držim dalje u neizvjesnosti, reći ću da tajna novog materijala leži u modroj galici, bakrovom(II) sulfatu pentahidratu, CuSO₄·5H₂O, točnije u ionima bakra (Cu²⁺). Kada se naime genskim inženjerstvom promijenjene gljivice uzgajaju u otopini modre galice koncentracije 0,5 mmol/L (0,125 g/L), one proizvode betaksantine, tvari koje inhibiraju djelovanje proteinaze A. Kada se potom tako uzgojene kvaščeve gljivice unesu metodom 3D-printinga u polimerni materijal, one miruju – dok se ne probude.

Ono što budi kvaščevu gljivicu iz vječnog sna nije princ na bijelome konju, nego galaktoza. Taj jednostavni šećer (monosaharid) potiče naime biosintezu proteinaze A, a time i razgradnju biopolimera.

Tu su ideju vodilju potvrdili rezultati istraživanja izneseni u spomenutom radu američkih znanstvenika. Jasno su pokazali da se mehanička svojstva novog polimernog materijala ne mijenjaju ni nakon 14 dana, no samo ako je djelovanje kvaščevih gljivica inhibirano bakrovim ionima. U suprotnom, njihov se genskim inženjerstvom dobiveni soj ne razlikuje od divljeg soja S. cerevisiae: nakon dva tjedna plastika je, da tako kažemo, napol pojedena.

Drugo je pak s plastičnim otpadom. Kada se predmeti od plastike stave u zakiseljenu otopinu (pH = 4) galaktoze, oni se počinju razgrađivati – sve dok se nakon 60 dana potpuno ne razgrade. Na kraju tog procesa zaostaje PEGDA i uvećani broj kvaščevih gljivica – sirovina za proizvodnju novog polimernog materijala.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, od 2017. u mirovini. Autor je oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske i bioanogranske kemije te povijesti i filozofije znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te za mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, među kojima je i „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.