021-22889554
021-26703715
مشاوره آموزشی رایگان

021-22889554  |  021-26703715 مشاوره آموزشی رایگان

دو دانشمند جوان که پلاستيك‌‌ها را با كمك باكتريها متلاشى مى‌‌كنند

Miranda Wang and Jeanny Yao

Two young scientists break down plastics with bacteria

همينكه پلاستيك خلق شود، (تقريبا) ديگر هرگز نمی‌ميرد. ميراندا ونگ و جنى يائو در سال تحصیلی دوازدهم خود، به تحقيق درباره باكتريهاى جديدى پرداختند كه قادر به تجزيه پلاستيك هستند-- بويژه از طريق از بين بردن فتالاتها، كه يكى از مواد مضر سازنده پلاستيك است. به طرز شگفت آوری، آنها پاسخ را جايى نزديك به محل زندگی‌شان يافتند.


تگ های مرتبط :

باکتری ها, زیست شناسی, پلاستیک
ميراندا ونگ: ما اينجاييم تا درباره تصادف صحبت كنيم. چه حسي درباره تصادف داريد؟ وقتى درباره تصادف فكر مى‌‌كنيم، معمولاً آنها را زيان‌‌آور تلقى مى‌‌كنيم، بدبختانه يا حتى بدتر، يقينا همينطور هم هست. اما آيا واقعاً هميشه انقدر بد هستند؟ مثلا كشفى كه منجر به پنى سيلين شد، يكى از خوش يمن‌‌ترين تصادفات تاريخ است. بدون تصادف كپكىِ آلكساندر فلمينگ زيست شناس، كه يك اهمال كاری در محيط كار باعثش شد، ما قادر به مبارزه با بسيارى از عفونت‌‌هاى باكتريايى نبوديم. جنى يائو: من و ميراندا امروز اينجاييم چون مى‌‌خواهيم به شما نشان دهيم چگونه تصادفات
منجر به كشفهايى شده است. در ٢٠١١، وقتى از ايستگاه انتقال زباله ونكوور ديدن كرديم و يك چاله عظيم از ضايعات پلاستيكى را ديديم. تشخيص داديم وقتى پلاستيكها دور انداخته مى‌‌شوند، گروه بندى كردنشان دشوار است، چون تراكمى مشابه دارند‌‌، و زمانى كه با ماده اورگانيك و باقيمانده‌‌هاى ساختمانى تركيب مى‌‌شوند، جدا كردن و حذفشان از محيط زيست حقيقتاً دشوار است. با اينحال، پلاستيكها مفيدند چون بادوام، انعطاف‌‌پذيرند، و به آسانى مى‌‌شود آنها را به اشكال مفيد بسيار متنوعى تغيير شكل داد. نكته منفى اين مزيت اين است كه بايد بهاى بالايى در ازايش پرداخت كرد .
پلاستيكها منجر به مشكلات جدى مى‌‌شوند، براى مثال تخريب اكو سيستمها، آلودگى منابع طبيعى، و كاهش فضاى خاكى موجود. اين تصوير كه اينجا مى‌‌بينيد گريت پاسفيك گاير است. وقتى درباره آلودگى پلاستيكى و محيط آبزى حرف به ميان می‌آيد ذهنمان ميره به سمت گريت باسفيك گاير، كه قراره جزيره شناورى از ضايعات پلاستيكى شود. اما اين ديگه تصويرى درست از آلودگى پلاستيكى در محيط آبزى نيست. در حال حاضر، در واقع اقيانوس ها سوپى از تکه‌های پلاستيكى هستند، و هيچ جايى در اقيانوس ها نيست كه در آنجا خرده‌‌هاى پلاستيكى را نيابيد.
در جامعه وابسته به پلاستيك، كم كردن توليد هدف خوبى است، اما كافى نيست. ضايعاتى كه از قبل توليد شده‌‌اند، چطور؟ صدها و هزاران سال طول مي كشد تا پلاستيك تجزيه شود. خب ، فكری به ذهنمون اومد. می‌دونيد چی؟ جاى اين كه منتظر باشيم آشغال اينجا روى هم جمع و تلنبار شود، روشى را براى متلاشى كردن آنها به كمك باكتريها پيدا كنيم. باحال به نظر مى‌‌رسد، اينطور نيست؟ حضار : آره. .متشكرم. اما مشكلى هست. مى‌‌دانيد، پلاستيكها ساختار خيلى پيچيده‌‌اى دارند و براى تجزيه شدن دشوارند.
بهرحال، ما كنجكاو و اميدوار بوديم و همچنان مى‌‌خواستيم كه آن را امتحان كنيم. جينى و من، با اين ايده‌ در ذهن، چند صفحه‌‌اى از مقالات علمى روى اينترنت را بررسى كرديم، و يك طرح تحقيقى را در شروع دوازدهمین سال تحصیلی‌مان ارائه كرديم. هدف ما يافتن باكتريهايى از رودخانه فريزر محل مان بود كه قادر به متلاشى كردن ماده مضر تشكيل دهنده پلاستيك يعنى فتالات باشد. فتالاتها افزودنى‌‌هايى هستند كه در محصولات پلاستيكى روزمره استفاده مى‌‌شوند تا انعطاف‌‌پذيرى، دوام و شفافيت‌‌شان را افزايش دهند. با اين كه جزءى از پلاستيك هستند، اما پيوند كووالانسى با اسكلت پلاستيك ندارند.
در نتيجه، به راحتى به درون محيط ما فرار می‌كنند. نه فقط فتالات محيط را آلوده مى‌‌كند، بلكه جسم ما را نيز آلوده مى‌‌كنند بدتر از اين، فتالات در محصولاتى يافت مى‌‌شود كه بشدت در معرض‌‌شان قرار داريم، براى مثال اسباب‌‌بازيهاى بچه‌‌ها، ظرفهاى نوشابه، لوازم آرايشى، و حتى لفاف‌‌هاى بسته بندى غذا. فتالاتها هولناك هستند زيرا خيلى راحت وارد بدنمان مى‌‌شوند. از طريق پوست، بلع و استنشاق امكان جذبشان وجود دارد. سالانه، حداقل ۲۱۳ ميليون کیلوگرم فتالات هوا، آب و خاك ما را آلوده مى‌‌كند. آژانس حمايت از محيط زيست حتى اين گروه را بعنوان آلاينده درجه يك طبقه بندى كرده است
زيرا نشان داده است كه بواسطه عملكردش بعنوان يك اخلالگر هورمون مسبب سرطان و نارسايهاى هنگام تولد مى‌‌شود. همه ساله مى‌‌خوانيم كه نظام شهردارى ونكوور، روى سطوح غلظت فاتالات در رودخانه‌‌ها نظارت انجام مى‌‌دهد تا سلامت شان را ارزيابى كند. خب ما پى برديم كه اگر جاهايى در امتداد رودخانه فريزر هستند كه آلوده به فتالات باشند، و اگر باكتريهايى هستند كه قابليت زندگى كردن در اين نواحى را دارند پس شايد، شايد اين باكتريها توانسته‌‌اند براى تجزيه كردن فتالاتها تكامل پيدا كنند. بنابراين اين ايده خوب را به دكتر ليندزى اليتز در دانشگاه بريتيش كلمبيا ارائه كرديم،
و حيرت‌‌آور اين كه او، ما را در واقع به آزمايشگاه خودش برد و خواست آدام و جيمز دانشجوهاى ليسانش به ما كم كنند. اونموقع نمی‌دونستيم كه سفرمان به محل آشغالها و كمى تحقيقات در اينترنت و جربزه خرج دادنمان در پيگيرى الهامات شخصى، ما را به سفر سرنوشت ساز تصادفات و اكتشافات مى‌‌كشاند. نخستين گام در پروژه‌‌مان جمع‌‌آورى نمونه‌‌هاى خاك از سه محل مختلف در امتداد رودخانه فريزر بود. از بين هزاران باكترى، مى‌‌خواستيم آنهايى را بيابيم كه فتالات‌ها را متلاشى مى‌‌كردند، پس كشت‌‌هايمان را با فتالات‌‌ها بعنوان
تنها منبع كربن غنى كرديم. كه دلالت داشت بر اين كه هر چيزى در كشتهاى ما رشد كند پس بايد قادر به زيستن با كمك فتالاتها باشد. همه چيز از اينجا به بعد خوب پيش رفت، و ما تبديل به محققان حيرت انگيزی شديم. (خنده) م و: اى واى جنى. جو: دارم شوخى مى‌‌كنم. باشه. خب، يكم تقصير من هم بود. مى‌‌دانيد، من تصادفاً فلاسكى را كه حاوى سومين كشت غنی شده بود را شكستم، و در نتيجه، مجبور شديم تمام اتاق محل نگهدارى را با ماده سفيد كننده و اتانول دو بار تميز كنيم. و اين تنها يكى مثال از تصادفاتی است كه طى آزمايشاهايمان رخ داد.
اما اين اشتباه به فرصت غيرمترقبه‌‌اى برايمان تبديل شد. متوجه شديم كه كشت‌‌هاى آسيب نديده از نواحى خلاف سطوح آلوده شده ميامدند، بنابراين اين اشتباه درواقع باعث شد تا به اين فكر بيافتيم كه شايد بتوانيم پتانسيل‌‌هاى گوناگون متلاشى كننده باكتريها را از محلهاى مخالف سطوح آلوده شده مقايسه كنيم. بنابراين، باكتريهايى را پرورش داديم مى‌‌خواستيم با ايجاد ضرباتی در صفحات ميانى، استرين ها را ايزوله كنيم، چون فكر مى‌‌كرديم كه كمتر در معرض تصادف قرار مى‌‌گرفتند، اما باز هم اشتباه كرده بوديم. در موقع ضربه زدن سوراخهايی در آگار ايجاد كرديم
كه باعث آلوده شدن برخى از نمونه‌‌ها و قارچ‌‌ها شد. در نتيجه، مجبور شديم چند بار عمل ضربه را انجام داده و آن را باز تكرار كنيم. سپس بكارگيرى فتالاتها و رشد باكتريها را مورد نظارت قرار داديم، و پى به اين برديم كه آنها همبستگى معكوسى را به اشتراك مى‌‌گذاشتند. خب همانطور كه جمعيت باكتريها افزايش مى‌‌يافت، غلظت فتالات كاهش پيدا مى‌‌كرد. اين به آن معنا بود كه باكتريها در واقع از فتالاتها زندگى مى‌‌كردند. پس حالا فهميده بوديم كه باكتريها مى‌‌توانستند فتالاتها را نابود كنند، با خودمان فكر كرديم اين باكتريها چه بودند. پس من و جنی سه تا از موثرترين استرين‌‌ها را برداشتيم بعد تقويت متوالى ژنى را رويشان اجرا كرديم
و داده‌‌يمان را با پايگاه داده‌‌هاى جامع آن لاين مطابقت داديم. جای بسی خوشحالی بود، كه با وجود اينكه سه تا از استرين‌‌هاى ما قبلاً باكتريهاى شناخته‌ شده‌‌اى بودند، اما دو تايشان قبلاً به متلاشى شدن فتالات نسبت داده نشده بودند، پس اين در واقع يك كشف جديد بود. براى درك بهتر اين كه چگونه متلاشى شدن زيستى كار مى‌‌كند، خواستيم كه گذرگاه‌‌هاى فروساختى سه تا از استرين‌‌مان را بازبينى كنيم. براى انجام آن، آنزيم‌‌هايى را از باكتريهايمان بيرون كشيديم و با استفاده از اسيد فاتاليك ميانجى دوباره دست به كار شديم. اين آزمايش را با اسپكتروفتومترى نظارت كرديم و اين نمودار زيبا را بدست آورديم. اين نمودار نشان مى‌‌دهد كه باكتريهاى ما واقعاً
گذرگاهى ژنتيكى براى متلاشى كردن فتالاتها دارند. باكتريهاىمان قادرند فتالاتها كه داروى سمى مضرى هستند را به محصولات نهايى چون كربن دى اكسيد، آب و الكل تغيير دهند. مى‌‌دانم برخى از شما در بين جمعيت حاضر فكر مى‌كنند كه خب، كربن دى اكسيد هولناك است، چون گاز گلخانه‌‌اى است. اما اگر باكتريهاى ما براى متلاشى كردن فتالات تكامل نيافته بود، از آنها براى برخى ديگر از انواع منبع كربن استفاده مى‌‌كردند و تنفس هوازى به هر ترتيبى منتهى به محصولات نهايى از قبيل دى‌‌اكسيد كربن مى‌‌شد. ما همينطور مشتاق بوديم كه ببينيم، اگر چه تنوع بيشترى از باكتريهاى
متلاشى كننده را از محل سكونت پرندگان بدست آورديم، اما موثرترين متلاشى كننده‌‌ها را از محلات دفع زباله بدست آورديم. بس اين بطور كامل نشان مى‌‌دهد كه طبيعت از طريق انتخاب طبيعى تكامل ميابد. خب من و ميراندا اين تحقيق را در در رقابت Sanofi BioGEnEius Challenge به اشتراك گذاشتيم و اينطور تشخيص داده شد كه داراى بيشترين پتانسيل براى تجارى شدن است. گر چه ما نخستين كسانى نبوديم كه فهميديم باكتريها مى‌‌توانند فتالاتها را متلاشى كنند، اما نخستين كسانى بوديم كه توى رودخانه محلمان را نگاه كرديم و راه‌‌حل محتمل را براى مشكلى محلى پيدا كرديم. نه فقط نشان داديم كه باكتريها
مى‌‌توانند راه‌‌حلى براى آلودگى پلاستيكى باشند، بلكه همچنين پذيراى ساير نتايج غيرقطعى و خطر كردن هستيم تا فرصتهايى براى كشفيات غيرمنتظره ايجاد شود. در طول اين سفر، ما همينطور پى به شور و علاقه خود به علم برديم، و در حال حاضر به تحقيقات در زمينه ديگر مواد سوخت فسيلى در جهان ادامه مى‌‌دهيم. اميد داريم كه در آينده نزديك، قادر باشيم مدلهاى سازواره‌‌اى(ترکیبات زنده) را بيافرينيم كه قادر به از بين بردن نه تنها فتالاتها بلكه همين كار را با انواع گسترده‌‌اى از آلاينده‌‌هاى متفاوت انجام دهند. ما مى‌‌توانيم اين را در تاسيسات تصفيه فاضلاب برای تميز كردن رودخانه ها
و ساير منابع طبيعى ديگر به كار گيريم. و شايد يك روز ما قادر به حل كردن مشكل ضايعات پلاستيك جامد باشيم. فكر مى‌‌كنم سفرمان حقيقتاً ديدگاه ما را نسبت به جانوران كوچك و ميكروسكپى متحول كرده است، من و جنی نشان داده‌‌ايم كه مشكلات منتهى به اكتشافات مى‌‌شوند. انيشتين يكبار گفت: "نمی توان مشكلات را با همان فكری حل كرد كه آن مشكلات را خلق كرده است." اگر پلاستيك را از مواد تركيبى مى‌‌سازيم، پس بايد به راه‌‌حلى بيانديشيم كه آنها را به طريق زيست شيميايى متلاشى كند. متشكرم. متشكرم.
(تشويق حضار)
Miranda Wang: We're here to talk about accidents. How do you feel about accidents? When we think about accidents, we usually consider them to be harmful, unfortunate or even dangerous, and they certainly can be. But are they always that bad? The discovery that had led to penicillin, for example, is one of the most fortunate accidents of all time. Without biologist Alexander Fleming's moldy accident, caused by a neglected workstation, we wouldn't be able to fight off so many bacterial infections. Jeanny Yao: Miranda and I are here today because we'd like to share how our accidents
have led to discoveries. In 2011, we visited the Vancouver Waste Transfer Station and saw an enormous pit of plastic waste. We realized that when plastics get to the dump, it's difficult to sort them because they have similar densities, and when they're mixed with organic matter and construction debris, it's truly impossible to pick them out and environmentally eliminate them. MW: However, plastics are useful because they're durable, flexible, and can be easily molded into so many useful shapes. The downside of this convenience is that there's a high cost to this.
Plastics cause serious problems, such as the destruction of ecosystems, the pollution of natural resources, and the reduction of available land space. This picture you see here is the Great Pacific Gyre. When you think about plastic pollution and the marine environment, we think about the Great Pacific Gyre, which is supposed to be a floating island of plastic waste. But that's no longer an accurate depiction of plastic pollution in the marine environment. Right now, the ocean is actually a soup of plastic debris, and there's nowhere you can go in the ocean
where you wouldn't be able to find plastic particles. JY: In a plastic-dependent society, cutting down production is a good goal, but it's not enough. And what about the waste that's already been produced? Plastics take hundreds to thousands of years to biodegrade. So we thought, you know what? Instead of waiting for that garbage to sit there and pile up, let's find a way to break them down with bacteria. Sounds cool, right? Audience: Yeah. JY: Thank you. But we had a problem. You see, plastics have very complex structures
and are difficult to biodegrade. Anyhow, we were curious and hopeful and still wanted to give it a go. MW: With this idea in mind, Jeanny and I read through some hundreds of scientific articles on the Internet, and we drafted a research proposal in the beginning of our grade 12 year. We aimed to find bacteria from our local Fraser River that can degrade a harmful plasticizer called phthalates. Phthalates are additives used in everyday plastic products to increase their flexibility, durability and transparency. Although they're part of the plastic,
they're not covalently bonded to the plastic backbone. As a result, they easily escape into our environment. Not only do phthalates pollute our environment, but they also pollute our bodies. To make the matter worse, phthalates are found in products to which we have a high exposure, such as babies' toys, beverage containers, cosmetics, and even food wraps. Phthalates are horrible because they're so easily taken into our bodies. They can be absorbed by skin contact, ingested, and inhaled. JY: Every year, at least 470 million pounds of phthalates contaminate our air, water and soil.
The Environmental Protection Agency even classified this group as a top-priority pollutant because it's been shown to cause cancer and birth defects by acting as a hormone disruptor. We read that each year, the Vancouver municipal government monitors phthalate concentration levels in rivers to assess their safety. So we figured, if there are places along our Fraser River that are contaminated with phthalates, and if there are bacteria that are able to live in these areas, then perhaps, perhaps these bacteria could have evolved to break down phthalates.
MW: So we presented this good idea to Dr. Lindsay Eltis at the University of British Columbia, and surprisingly, he actually took us into his lab and asked his graduate students Adam and James to help us. Little did we know at that time that a trip to the dump and some research on the Internet and plucking up the courage to act upon inspiration would take us on a life-changing journey of accidents and discoveries. JY: The first step in our project was to collect soil samples from three different sites along the Fraser River.
Out of thousands of bacteria, we wanted to find ones that could break down phthalates, so we enriched our cultures with phthalates as the only carbon source. This implied that, if anything grew in our cultures, then they must be able to live off of phthalates. Everything went well from there, and we became amazing scientists. (Laughter) MW: Um... uh, Jeanny. JY: I'm just joking. MW: Okay. Well, it was partially my fault. You see, I accidentally cracked the flask that had contained our third enrichment culture, and as a result, we had to wipe down the incubator room
with bleach and ethanol twice. And this is only one of the examples of the many accidents that happened during our experimentation. But this mistake turned out to be rather serendipitous. We noticed that the unharmed cultures came from places of opposite contamination levels, so this mistake actually led us to think that perhaps we can compare the different degradative potentials of bacteria from sites of opposite contamination levels. JY: Now that we grew the bacteria, we wanted to isolate strains by streaking onto mediate plates,
because we thought that would be less accident-prone, but we were wrong again. We poked holes in our agar while streaking and contaminated some samples and funghi. As a result, we had to streak and restreak several times. Then we monitored phthalate utilization and bacterial growth, and found that they shared an inverse correlation, so as bacterial populations increased, phthalate concentrations decreased. This means that our bacteria were actually living off of phthalates. MW: So now that we found bacteria that could break down phthalates,
we wondered what these bacteria were. So Jeanny and I took three of our most efficient strains and then performed gene amplification sequencing on them and matched our data with an online comprehensive database. We were happy to see that, although our three strains had been previously identified bacteria, two of them were not previously associated with phthalate degradation, so this was actually a novel discovery. JY: To better understand how this biodegradation works, we wanted to verify the catabolic pathways of our three strains. To do this, we extracted enzymes from our bacteria and reacted with an intermediate of phthalic acid.
MW: We monitored this experiment with spectrophotometry and obtained this beautiful graph. This graph shows that our bacteria really do have a genetic pathway to biodegrade phthalates. Our bacteria can transform phthalates, which is a harmful toxin, into end products such as carbon dioxide, water and alcohol. I know some of you in the crowd are thinking, well, carbon dioxide is horrible, it's a greenhouse gas. But if our bacteria did not evolve to break down phthalates, they would have used some other kind of carbon source, and aerobic respiration would have led it
to have end products such as carbon dioxide anyway. We were also interested to see that, although we've obtained greater diversity of bacteria biodegraders from the bird habitat site, we obtained the most efficient degraders from the landfill site. So this fully shows that nature evolves through natural selection. JY: So Miranda and I shared this research at the Sanofi BioGENEius Challenge competition and were recognized with the greatest commercialization potential. Although we're not the first ones to find bacteria that can break down phthalates,
we were the first ones to look into our local river and find a possible solution to a local problem. We have not only shown that bacteria can be the solution to plastic pollution, but also that being open to uncertain outcomes and taking risks create opportunities for unexpected discoveries. Throughout this journey, we have also discovered our passion for science, and are currently continuing research on other fossil fuel chemicals in university. We hope that in the near future, we'll be able to create model organisms that can break down not only phthalates
but a wide variety of different contaminants. We can apply this to wastewater treatment plants to clean up our rivers and other natural resources. And perhaps one day we'll be able to tackle the problem of solid plastic waste. MW: I think our journey has truly transformed our view of microorganisms, and Jeanny and I have shown that even mistakes can lead to discoveries. Einstein once said, "You can't solve problems by using the same kind of thinking you used when you created them."
If we're making plastic synthetically, then we think the solution would be to break them down biochemically. Thank you. JY: Thank you. (Applause)