_ Experiment ISS pentru conversie deșeurile de plastic în materiale reciclate în timpul zborului spațial

O enzimă care degrada plasticul și o tulpină bacteriană proiectată tocmai au fost lansate în spațiu cu o misiune importantă: transformarea deșeurilor de plastic în materiale reciclate în timpul zborului spațial.

Experimentul implică colaborarea cu MIT Media Lab Space Exploration Initiative, Harvard Medical School și Seed Health și este finanțat în parte de către Laboratorul Național de Energie Regenerabilă (NREL) condus de Tehnologii Bio-Optimizate pentru a menține Termoplastele departe de gropile de gunoi și de Consorțiul Mediului (BOTTLE), care este sponsorizat de Biroul pentru Tehnologii Bioenergetice al Departamentului de Energie și Biroul pentru Materiale Avansate și Tehnologii de Fabricare. Cercetătorii BOTTLE de la NREL care lucrează la acest proiect includ biologul sintetic Allison Werner, biochimiștii Erika Erickson și Natasha Murphy, chimiștii analitici Kelsey Ramirez și Morgan Ingraham și CEO-ul BOTTLE Gregg Beckham.

Cele două mostre — PETase și P. putida — au fost depozitate într-o încărcătură utilă de bio-experimentare personalizată în interiorul misiunii de reaprovizionare SpX-26, care a plecat de la Centrul Spațial Kennedy pe 26 noiembrie. Împreună, enzima și microbul oferă o soluție pentru reciclarea polietilen tereftalatului (PET), un poliester popular. folosit în haine, sticle și multe altele.

„Aceasta va fi o demonstrație a reciclării materialelor plastice la noi materiale pe orbita joasă a Pământului”, a declarat Allison Werner, biolog sintetic și lider de proiect la NREL. „În linii mari, experimentul își propune să realizeze trei lucruri: în primul rând, să testeze în zbor un nou sistem de cultivare autonom care extinde capacitățile pentru experimente fără pilot; al doilea, să evalueze efectul zborului spațial asupra depolimerizării enzimatice a plasticului PET; și al treilea, să investigheze. genomul și proteomul bacteriilor concepute pentru a transforma PET-ul depolimerizat într-un precursor de nailon.”

Această cale de upcycling începe cu enzima PETază care descompune plasticul PET în precursorul său, acidul tereftalic, o substanță chimică care este produsă din petrol. la câteva milioane de tone pe an. Acidul tereftalic este apoi alimentat cu P. putida, o bacterie comună din sol cu ​​căi proiectate pentru a consuma acest compus. Bacteriile transformă acidul într-un precursor îmbunătățit pentru nailon, transformând astfel un deșeu de plastic în blocuri pentru un plastic de înaltă performanță. Dar pentru a realiza acest ciclu pe ISS, echipa de proiect trebuia să inventeze un experiment autonom într-o cutie, iar soluția lor ar putea permite o nouă abordare a studiilor microbiene în spațiu și în alte site-uri îndepărtate.

Cultură autonomă pentru experimente la distanță

Echipa de proiect a dorit să găsească o soluție pentru efectuarea cercetării biologice fără ajutor manual în spațiu. Ben Fram, Ph.D. student la Harvard Medical School, este unul dintre cercetătorii proiectului care contribuie la acest experiment autonom.

„Experimentele biologice necesită multă ținere de mână. Celulele trebuie să fie trecute în medii noi, iar reacțiile enzimatice au nevoie de reîmprospătare. ”, a spus Fram. „Fără ajutorul unui astronaut, opțiunile experimentale pe ISS sunt limitate”.

Pentru a răspunde acestei nevoi, echipa a inventat un experiment autonom cu eșantionare temporizată, trecere și înregistrare automată a datelor. Sistemul de cultură autonom este dezvoltat de cercetătorii de la MIT Media Lab Space Exploration Initiative, inclusiv Xin Liu, un lider de cercetare privind sistemul de încărcare utilă. Liu îl descrie ca un sistem de biocultură compact, modular, pregătit pentru zborurile spațiale, cu protocolul însoțitor, care permite cultivarea microbiană continuă și executarea protocolului adaptabil fără intervenția umană.

„Este crucial pentru noi să lucrăm cu biologi. de la început, astfel încât să putem proiecta sistemul cu biologia în centrul său și să-l facem suficient de flexibil pentru a se potrivi diferitelor cerințe pe măsură ce obiectivele cercetării evoluează”, a spus Liu. „Sperăm că acest sistem poate fi o muncă de bază pentru o cercetare biologică mai accesibilă pentru zborurile spațiale umane.”

Designul de încărcare utilă de bio-cultură este destinat să fie open source și va fi explicat pe deplin într-o publicație viitoare. Utilizează hardware care poate fi achiziționat de la furnizori comerciali și piese care pot fi imprimate 3D de oricine și este construit pentru a găzdui cercetarea biologică într-un sistem închis. Cu modificări minore, ar putea fi utilizat în alte cercetări la distanță, cum ar fi cultivarea în ocean sau gheața polară.

În primul rând, bacteriile sunt reconstituite din pulbere, iar PETaza este transferată într-un nou tampon. Acestea sunt apoi mutate între camere pentru a fi cultivate și prelevate continuu. Pompele injectează camerele cu mediu - plastic pentru enzime și acid pentru bacterii - permițând reacțiilor să aibă loc și celulelor să se dezvolte. La intervale de timp, cutia salvează probe prin pomparea autonomă a soluțiilor în pungi de conservare, astfel încât produsele de creștere și chimice să fie evaluate pe parcurs. Caseta va descărca, de asemenea, datele de analiză pentru a fi revizuite în laboratoare. Și pe Pământ, exact același experiment este în desfășurare pentru comparație.

Învățând de la mutanții spațiali

Fără să știe exact ce se va schimba pentru bacteriile din spațiu, cercetătorii au motive să se aștepte la fenomenele terestre. iar microgravitația rezultă să fie diferită. Experimentele anterioare au arătat că imponderabilitate afectează metabolismul, expresia genelor și reglarea proteinelor în microorganisme, dar efectul asupra bacteriilor de reciclare a PET ale echipei este necunoscut. Efectul microgravitației asupra biocatalizei interfaciale – enzimele care degradează foile de PET – este la fel de necunoscut.

„Știm că zborul spațial va avea efecte de la radiații și microgravitație, dar nu avem cunoștințe a priori despre efectul acești factori de stres asupra performanței enzimei sau a tulpinii modificate”, a spus Werner.

Odată ce experimentul este finalizat și cutia de experiment se întoarce pe Pământ, oamenii de știință vor măsura gradul de degradare a plasticului observând atât factorii fizici, cât și chimici. schimbări în cadrul camerelor. Echipa va ordona, de asemenea, ADN-ul și va analiza proteinele bacteriilor pentru a evalua schimbările în culturile spațiale.

„Pentru ca aceasta să fie o opțiune viabilă pentru circularitatea pe orbita joasă a Pământului, trebuie să înțelegem ce schimbări se schimbă. să apară în acel mediu și să ne proiectăm sistemele pentru a evita schimbările nedorite sau pentru a le amplifica pe cele dorite”, a spus Werner.

Aceste lecții ar putea duce la următoarea descoperire pentru inginerie genetică sau ar putea permite misiunilor viitoare să angajeze P. putida pentru circularitatea materială și călătoria în spațiu. În ambele cazuri, oamenii de știință vor avea în curând noi perspective în transformarea deșeurilor de plastic.

Mai multe călătorii în spațiu sunt programate

Anul acesta a fost anunțată o călătorie separată în spațiu pentru P. putida, în care oxidativ , mai degrabă decât enzimatică, descompunerea materialelor plastice va avea loc pe ISS. Werner și colaboratorii de la NREL vor studia din nou efectele evolutive ale zborului spațial asupra microorganismului lor, deși pentru o cale diferită de upcycling. Lucrarea lor a fost selectată în urma unei runde de prezentare competitivă și va sprijini, de asemenea, Consorțiul BOTTLE.

(Fluierul)