Innowacyjna metoda zamienia odpady PET w lek na Parkinsona

Zmodyfikowane genetycznie bakterie potrafią przekształcać zużyte plastikowe butelki i opakowania po żywności w L-DOPA, lek stosowany w leczeniu choroby Parkinsona. Do takich wniosków doszli naukowcy i naukowczynie z Uniwersytetu w Edynburgu, a wyniki ich badań opublikowano na łamach prestiżowego czasopisma Nature Sustainability.

Odkrycie to wpisuje się w szerszy kontekst jednego z największych problemów współczesnego świata – rosnącej ilości odpadów plastikowych. Każdego roku produkuje się dziesiątki milionów ton tworzyw sztucznych, w tym około 50 milionów ton politereftalanu etylenu (PET), który jest powszechnie wykorzystywany do produkcji butelek i opakowań żywności. PET jest materiałem lekkim, trwałym i wygodnym w użyciu, ale jednocześnie powstaje z nieodnawialnych surowców, takich jak ropa naftowa i gaz. Choć istnieją metody jego recyklingu, nie są one w pełni wydajne, a znaczna część odpadów trafia na wysypiska lub do środowiska naturalnego, przyczyniając się do globalnego zanieczyszczenia.

Naukowcy i naukowczynie coraz częściej podkreślają, że zamiast traktować plastik wyłącznie jako problem, można postrzegać go jako potencjalne źródło cennych związków chemicznych. Właśnie na tym założeniu opiera się koncepcja bio-upcyklingu, podejścia wykorzystującego mikroorganizmy do przekształcania odpadów w produkty o wyższej wartości.

Celem badania przeprowadzonego przez naukowców i naukowczynie z Uniwersytetu w Edynburgu było uzyskanie lewodopy (L-DOPA), kluczowego leku stosowanego w terapii choroby Parkinsona, którego globalne zapotrzebowanie rośnie wraz ze starzeniem się społeczeństw.

Choroba Parkinsona ma złożone podłoże i choć dokładna przyczyna jej rozwoju nie jest jeszcze w pełni poznana, uważa się, że wynika z interakcji wielu czynników genetycznych i środowiskowych oraz procesów degeneracyjnych w mózgu. Spośród czynników środowiskowych ekspozycja na pestycydy i herbicydy oraz na toksyczne metale ciężkie (np. ołów, miedź, mangan) jest jedną z najlepiej udokumentowanych grup ryzyka. Liczne prace naukowe wykazały, że kontakt z tymi substancjami może sprzyjać uszkodzeniu neuronów dopaminergicznych i w konsekwencji zwiększać prawdopodobieństwo rozwoju Parkinsona, a na przykład wystawienie na pestycydy takie jak paraquat, rotenon czy glifosat oraz metaliczne toksyny wiąże się ze znacząco podwyższonym ryzykiem choroby w analizach epidemiologicznych i eksperymentalnych modelach (wskazują na to najnowsze przeglądy badań opublikowane w 2025 r.).

Lewodopa jest prolekiem (ulega przemianie do dopaminy), który dzięki przenikaniu przez barierę krew-mózg stosowana jest w leczeniu objawów choroby Parkinsona. Obecnie produkcja L-DOPA opiera się głównie na procesach chemicznych lub chemoenzymatycznych wykorzystujących surowce kopalne. Metody te są energochłonne, kosztowne i obciążające dla środowiska. Dlatego opracowanie alternatywnej, bardziej zrównoważonej technologii stanowi istotny krok w kierunku ekologicznej produkcji leków.

Zespół badaczy i badaczek z University of Edinburgh zmodyfikował bakterie Escherichia coli w taki sposób, aby mogły one przekształcać PET pochodzący z recyklingu w L-DOPA. Proces ten rozpoczyna się od rozkładu plastiku na prostsze związki chemiczne – przede wszystkim kwas tereftalowy (TPA). Ten etap może być przeprowadzony zarówno metodami chemicznymi, jak i enzymatycznymi, prowadząc do uzyskania surowca, który następnie staje się „paliwem” dla bakterii.

Kolejny etap polega na wykorzystaniu zmodyfikowanych mikroorganizmów do przeprowadzenia serii reakcji biochemicznych. W zaprojektowanym przez zespół z Edynburga szlaku metabolicznym kwas tereftalowy jest przekształcany kolejno w protokatechuan (PCA), następnie w katechol, a ostatecznie w L-DOPA. Każdy z tych etapów jest katalizowany przez specyficzne enzymy, które zostały wprowadzone do bakterii poprzez inżynierię genetyczną. Co istotne, enzymy te pochodzą z różnych organizmów, co pokazuje, jak zaawansowane stało się projektowanie sztucznych systemów biologicznych.

Stworzenie takiego szlaku metabolicznego wiązało się jednak z licznymi wyzwaniami. Jednym z pierwszych problemów był transport kwasu tereftalowego przez błonę komórkową bakterii. Cząsteczka ta jest naładowana i trudno przenika do wnętrza komórki. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy i naukowczynie wprowadzili do bakterii gen kodujący specjalne białko transportowe (TpaK), które umożliwia skuteczne pobieranie tego związku z otoczenia.

Jeszcze większym wyzwaniem okazała się tzw. inhibicja szlaku metabolicznego. Produkty pośrednie reakcji (zwłaszcza protokatechuan i katechol) mogą hamować działanie enzymów odpowiedzialnych za kolejne etapy syntezy. Na przykład katechol może blokować wcześniejsze reakcje, a protokatechuan hamuje enzym odpowiedzialny za końcowy etap produkcji L-DOPA. Tego typu sprzężenia zwrotne znacząco ograniczały wydajność całego procesu.

Aby obejść ten problem, badacze i badaczki zastosowali innowacyjne rozwiązanie polegające na rozdzieleniu procesu między dwa różne szczepy bakterii. Pierwszy szczep został zaprojektowany tak, aby przekształcał kwas tereftalowy w katechol, natomiast drugi, aby przekształcał katechol w L-DOPA. Dzięki temu możliwe było uniknięcie bezpośredniego kontaktu enzymów z hamującymi je związkami pośrednimi, co znacząco poprawiło efektywność całego systemu.

Dodatkowo naukowcy i naukowczynie zoptymalizowali warunki reakcji, takie jak pH, temperatura, czas trwania procesu oraz stężenia reagentów, w tym pirogronianu i amoniaku, które są niezbędne w końcowym etapie syntezy. Okazało się, że końcowa reakcja przebiega najefektywniej w lekko zasadowym środowisku (pH około 8).

W wyniku tych optymalizacji udało się osiągnąć bardzo wysoką wydajność produkcji. W warunkach laboratoryjnych uzyskano nawet 5 gramów L-DOPA na litr roztworu, co stanowi wynik konkurencyjny względem istniejących metod biotechnologicznych. Co więcej, proces zachodzi w łagodnych warunkach – w środowisku wodnym, przy umiarkowanej temperaturze i bez użycia toksycznych chemikaliów. Zdaniem autorów i autorek czyni to tę metodę bardziej przyjazną dla środowiska niż tradycyjne technologie oparte na paliwach kopalnych.

Ważnym elementem badań było także sprawdzenie, czy technologia działa w przypadku rzeczywistych odpadów, a nie tylko czystych substratów laboratoryjnych. Naukowcy i naukowczynie wykorzystali zarówno zużyte plastikowe butelki, jak i odpady przemysłowe, takie jak folie stosowane w znakowaniu produktów. Po ich rozkładzie do kwasu tereftalowego możliwe było przeprowadzenie całego procesu biologicznego i uzyskanie L-DOPA. Wydajność była nieco niższa niż w przypadku czystych substratów, co wynikało z obecności zanieczyszczeń, takich jak dodatki stosowane w produkcji plastiku, jednak wyniki te potwierdziły praktyczny potencjał tej technologii.

Interesującym aspektem badania było również uwzględnienie emisji dwutlenku węgla powstającego w trakcie reakcji. Zespół przeprowadził eksperyment, w którym CO₂ generowany podczas przemiany chemicznej był wychwytywany przez mikroalgi Chlamydomonas reinhardtii. Wykazano, że algi są w stanie wykorzystać ten gaz do wzrostu i produkcji biomasy, co sugeruje możliwość integracji procesów produkcyjnych z biologicznym wychwytem CO₂, zwiększając ich zrównoważony charakter.

Autorzy i autorki badania podkreślają, że opracowana metoda może mieć znacznie szersze zastosowanie niż tylko produkcja leków. Bio-upcykling plastiku może w przyszłości umożliwić wytwarzanie wielu różnych produktów o wysokiej wartości, takich jak aromaty, zapachy, kosmetyki czy specjalistyczne chemikalia przemysłowe. Otwiera to drogę do rozwoju nowej gałęzi przemysłu, która łączy recykling z biotechnologią.

Jednocześnie zaznaczają, że obecnie jest to etap proof-of-concept, czyli demonstracja możliwości technologii. Przed jej wdrożeniem na skalę przemysłową konieczne są dalsze prace nad optymalizacją procesu, zwiększeniem jego wydajności i stabilności, a także zapewnieniem czystości produktu końcowego. Istotne będzie również przeprowadzenie szczegółowych analiz środowiskowych i ekonomicznych, które pozwolą ocenić opłacalność tej metody w porównaniu z istniejącymi rozwiązaniami.

Zespół badawczy planuje kontynuować prace nad rozwijaniem tej technologii, koncentrując się na jej skalowaniu oraz integracji z innymi procesami przemysłowymi. Celem jest stworzenie systemu, który pozwoli efektywnie przekształcać odpady plastikowe w wartościowe produkty na dużą skalę.

Badanie pokazuje, że dzięki nowoczesnym narzędziom biologii syntetycznej możliwe jest całkowite przedefiniowanie roli plastiku w gospodarce. Zamiast być jedynie problemem środowiskowym, może on stać się cennym surowcem wykorzystywanym do produkcji zaawansowanych substancji, w tym leków ratujących życie. To ważny krok w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym, w której odpady są ponownie wykorzystywane, a ich negatywny wpływ na środowisko zostaje zminimalizowany.

Photo by tanvi sharma on Unsplash