Udane białko

Rosnącym problemem dla środowiska są odpady keratynowe. Ale naukowcy starają się je zagospodarować.

27.07.2020

Czyta się kilka minut

Po każdym hodowanym kurczaku zostaje 200 gramów piór. / ADOBE STOCK
Po każdym hodowanym kurczaku zostaje 200 gramów piór. / ADOBE STOCK

Włosy, pióra ptaków czy paznokcie i pazury zawdzięczają swoją moc keratynie – bardzo odpornemu białku, z którego składają się prawie w 90 proc. Białka są długimi nićmi, zbudowanymi z reszt aminokwasowych. Keratynowe nici dodatkowo splatają się ze sobą w sznury. Takie struktury trudno rozerwać: nie rozpuszczają się, nie nasiąkają w wodzie i, co najważniejsze, są mało podatne na rozkład. Cieszą się z tego archeolodzy, którzy mogą badać włosy liczących kilka tysięcy lat mumii. Martwią się za to ekolodzy.

ISTNIEJE NATURALNY MECHANIZM rozkładu keratyny – kilka znanych nam gatunków grzybów i bakterii produkuje specjalne enzymy (keratynazy), które potrafią nadtrawiać i rozplatać długie nici keratyn, jednak zajmuje to sporo czasu. A ponieważ w ogromnym stopniu zwiększyliśmy ilość keratyny w przyrodzie, rozkładające ją mikroorganizmy przestają nadążać. Sama hodowla kurczaków przynosi rocznie 9 miliardów kilogramów piór do utylizacji (a to tylko jedno ze źródeł keratyny).

Takich odpadów nie można np. spalić. Pomijając niezbyt przyjemny zapach – wydzielające się wówczas gazy zawierają sporo tlenków azotu i siarki (składników smogu), a przy słabszym dostępie tlenu toksycznego amoniaku i siarkowodoru. Grecy już w 189 r. p.n.e. użyli naczyń z tlącymi się piórami do zagazowania tuneli wykopywanych przez oblegających Ambrację rzymskich żołnierzy. Miasto pozostało niezdobyte.

O wiele bezpieczniejszym rozwiązaniem jest kompostowanie. Ale i ta metoda jest kłopotliwa – całkowity rozkład piór zajmuje nawet do siedmiu lat. Naukowcy poszukują więc w różnych środowiskach mikroorganizmów o najwyższym potencjale rozkładania keratyny. Przodują bakterie Bacillus subtilis, które w kontrolowanych warunkach pożerają pióro w ciągu dwóch tygodni. Mikroorganizmy te służą do produkcji preparatów, którymi można np. zaszczepić kompost, by przyspieszyć rozkład piór.

Jednak odpady można też wykorzystać. Trwają np. próby zastosowania piór do produkcji bioplastiku i papieru, w tym wodoodpornego. Poprzez wyprażanie w wysokich temperaturach z piór udaje się uzyskać także nanorurki węglowe oraz inne nanomateriały. A stosując pochodzące od bakterii enzymy do nadtrawiania keratyny z wełny, można uzyskać hydrolizaty, wykorzystywane jako dobrej jakości pasze dla zwierząt albo dodatki do kosmetyków, szczególnie tych związanych z pielęgnacją włosów. Rozplecione keratynowe nici znakomicie nadają się także do produkcji hydrożeli stosowanych w medycynie regeneracyjnej jako wypełniacze i rusztowania, na których ludzkie komórki mogą odtwarzać uszkodzenia tkanek.

Niestety, metody enzymatyczne są powolne, kosztowne i niezbyt wydajne – stulitrowy zbiornik z bakteriami jednorazowo przerabia zaledwie ok. kilograma piór lub wełny. Stąd najszybszą metodą jest podgrzanie masy piór poubojowych do wysokiej temperatury i gwałtowne obniżenie ciśnienia, co powoduje rozerwanie keratyny i rozdrobnienie nawet bardzo dużych porcji materiału. Taką masę można wtórnie wykorzystać np. jako niskiej jakości paszę.

Rosnący problem odpadów mobilizuje biologów, którzy starają się udoskonalić rozkładające keratynę bakterie. Jedną z możliwości jest zwiększenie wydzielania keratynaz przez mikroorganizmy do otoczenia. Drugą – usprawnienie samego enzymu, którego działanie zależy od genów. Modyfikując cząsteczkę DNA możemy sprawić, by enzym sprawniej przekształcał keratynę.

ISTNIEJE NA TO KILKA SPOSOBÓW. Np. działanie światłem UV, które po trafieniu w DNA może je uszkadzać (dlatego promieniowanie UV jest rakotwórcze), prowadząc do losowych mutacji. Oczywiście szansa, że cząstka światła ultrafioletowego trafi akurat we fragment DNA kodujący keratynazę i w dodatku zmieni go w pożądany dla nas sposób, jest niewielka. Mamy jednak do dyspozycji mnóstwo komórek bakterii. W przeciętnej kropli pobranej z hodowli może znajdować się ich około 5 miliardów. Inną metodą modyfikacji DNA jest bezpośrednie zsyntetyzowanie genu kodującego keratynazę w sposób, który prowadzi do powstawania losowych błędów. Używa się w tym celu popularnej metody: łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR). W tej technice enzym zwany polimerazą szuka genu (oznaczonego przez badacza starterami), a następnie kopiuje go setki razy, popełniając co jakiś czas błąd. Potem uzyskane fragmenty zmutowanego DNA wszczepiane są do nowych komórek bakterii, które następnie są wysiewane na specjalną pożywkę zawierającą keratynę. Po kilkudziesięciu godzinach wzrostu można ocenić zdolność bakterii do rozkładu keratyny, obserwując, gdzie najwydajniej zanikają drobiny tego materiału.

Badania trwają, a stawka jest wysoka – przetwarzanie keratyny w niskich temperaturach chroniłoby przed uszkodzeniem cenne aminokwasy, z których można np. produkować bardziej wartościowe pasze dla zwierząt. Pomogłoby też przywrócić zaburzoną przez nas równowagę ekologiczną. ©

Autorzy pracują na Wydziale Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru Nr 31/2020