Study of genes and enzymes that biodegrade polyethylene in Pseudomonas aeruginosa

Abstract

플라스틱 오염은 전 세계적으로 다양한 환경에 영향을 미치며 위협이 되고 있으며, 지속 가능한 플라스틱 폐기물 관리는 환경 보호를 위한 중요한 접근 방식이다. 문제가 되는 플라스틱 중 폴리에틸렌(PE)은 탄소(C) 2개와 수소(H) 4개로 이루어진 유기화합물인 에틸렌이 수천에서 수십만 개 모여 만들어진 기다란 탄화수소 사슬의 중합체로 가수분해기가 없어 분해되지 않는 플라스틱이다. 따라서 플라스틱으로 인한 오염 문제를 해결하기 위해 미생물, 효소 등 플라스틱의 생분해를 연구하는 것은 환경 친화적이고 지속가능한 접근이 될 수 있다. 여기에서 우리는 PE를 분해하는 Pseudomonas aeruginosa와 동일한 효과를 갖는 phenylalanine hydroxylase (PhhA), isocitrate lyase (ICL) 효소를 RNA sequencing analysis을 통해 확인하고, 발현 조건을 최적화하여 LDPE의 생분해성을 확인했다. 또한, TSA (열 변화 분석)을 통하여 단백질의 열 변성 온도 변화를 측정하여 완충액의 농도, pH와 같은 다양한 조건에서 단백질의 안정성을 측정했다. 이어서 FT-IR (푸리에 변환 적외선) 분광분석, XPS (X선 광전자 분광학) 분석 및 TGA (열중량 분석) 분석을 통해 P. aeruginosa의 PhhA로 인해 PE 표면에 물리적, 화학적 변화를 확인하였다. FT-IR과 XPS 분석을 통해 화학구조 변화를 분석한 결과, PE 표면에 새로운 화학 결합 (C-O, C-OH, C=O) 형성하여 산화와 관련이 있으며, C-C 결합이 끊어지는 것을 확인하였다. 더욱이, TGA를 통한 열 안정성 특성화는 PE 필름이 PhhA 처리 시 안정성을 잃고 부서지기 쉽다는 것을 강조했다. PhhA가 LDPE를 산화시키는 것은 확인되었으나 ICL은 자체적으로 생분해를 할 수 없었다. 또한, PhhA와 ICL을 함께 처리하였을 때 PhhA가 단일 효소로 작용했을 때보다 유의성을 보였다. 이에 관해서는 우리가 유일한 단일 효소로서 발견하지 못한 다른 여러 요인들이 있다. 이전에 보고된 논문에서 연구자들은 양자 메커니즘 계산을 사용하여 효소가 지방족 화합물의 C-C 결합을 어떻게 파괴하는지 연구했다. 그들은 특정 조건에서 효소가 이들 화합물에서 수소 음이온 (H-)을 제거하여 C2-C3 결합을 약화시키고 궁극적으로 C-C 결합을 절단한다는 것을 발견했다. 이전 연구 내용과 비교했을 때 이러한 발견은 산화효소가 PE의 C-C 결합을 파괴하여 PE의 생분해를 돕는 데 도움이 될 수 있음을 시사한다. 이 연구는 박테리아 효소 처리를 통한 PE 필름의 구조적, 화학적 변화를 이해하면 PE 생분해에 대한 연구에 도움이 될 것이다. 또한 산화 단계가 PE 생분해에 크게 기여하는 것으로 관찰되어 산화 효소의 잠재적 중요성이 강조되었다.|Plastic pollution is a global threat affecting various environments worldwide. Sustainable plastic waste management is an important approach to environmental protection. Among problematic plastics, polyethylene (PE) is a plastic that contains only a carbon-carbon (C-C) main chain and does not decompose due to a lack of hydrolysable groups. Therefore, to solve the problem of pollution caused by plastics, studying the biodegradation of plastics, including microorganisms and enzymes, can be an eco-friendly and sustainable approach. Here, we identified phenylalanine hydroxylase (PhhA), isocitrate lyase (ICL) enzymes with the same effect as Pseudomonas aeruginosa in degrading PE and confirmed the biodegradability of PE by optimizing the expression conditions. The stability of the protein was assessed under various conditions, including different buffer concentrations and pH levels, by measuring changes in its heat denaturation temperature using Thermal Shift Assays (TSA). The protein was cultured in LDPE under these conditions. Then, through Fourier-Transform-Infrared (FT-IR) spectroscopic analysis, X-ray photoelectron spectroscopic (XPS) analysis and Thermogravimetric analysis (TGA), it was confirmed that physical and chemical changes occurred on the surface of PE due to PhhA of P. aeruginosa. As a result of analyzing the chemical structure change through FT-IR and XPS analysis, it was confirmed that oxidation occurred on the PE surface and the C-C bond was broken. Although it was confirmed that PhhA oxidizes LDPE, ICL cannot biodegrade on its own. There are other factors that we haven't discovered as the only single enzyme. These findings provide a potential solution to the biodegradation of non-degradable PE.