เลี้ยงแบคทีเรียให้กินพลาสติก นักวิทย์ฯ เลี้ยง Ideonella sakaiensis ให้เป็นอาวุธลับสู้พลาสติก

ธรรมชาตินี่ก็แปลกอยู่อย่าง ไม่ว่าเราจะทำลายมันมากแค่ไหน ธรรมชาติเองก็ยังมีความลี้ลับที่คอยแก้ปัญหาตัวเองให้ทุเลาลงได้เสมอ แม้กระทั่งโพลีเมอร์ที่สร้างผลกระทบสูงอย่าง ‘พลาสติก’ ที่ในเมื่อเราคงลบพลาสติกไปไม่ได้ เราก็ต้องอยู่กับพลาสติกอย่างควบคุมได้ด้วยธรรมชาติเอง

แน่นอนว่าไม่มีอะไรยากไปกว่าการ ‘ลดใช้พลาสติก’ ต่อให้เราจะรณรงค์อย่างไรก็ตาม พลาสติกจะยังคงอยู่ เหตุผลง่ายๆ เพราะพลาสติกดีต่อมนุษย์ในด้านอรรถประโยชน์ เราอาจจะไม่มีนวัตกรรม เช่นทุกวันนี้หากปราศจากองค์ประกอบพลาสติก จากความทนทานต่อหลายสภาวะทำให้พลาสติกตกค้างอยู่ในโลกนี้ ว่ากันว่าพลาสติกราว 90% ตั้งแต่ยุคแรกสุดที่มนุษย์ผลิตก็ยังคงอยู่ที่ไหนสักแห่งบนโลกนี้ ไม่ได้หายไป มีพลาสติกเพียง 10% เท่านั้นที่ถูกย่อยสลายด้วยการเผาไหม้

แม้ในหลาย ๆ ประเทศจะประสบความสำเร็จในการลดใช้ถุงพลาสติก แต่ปริมาณการผลิตกลับไม่ได้ลดลงไปเลย แถมมีแนวโน้มจะเพิ่มขึ้นสวนทางด้วยซ้ำ ทุกๆ ปีโลกของเราผลิตโพลิเมอร์พลาสติกได้มากถึง 300 ล้านตัน (อย่างต่ำนะ) เป็นวัตถุดิบสำคัญอยู่ในทุกอย่าง ตั้งแต่ขวดน้ำดื่มสองอึกแล้วทิ้ง ขวดแชมพู ถุงขนม ถุงหิ้วช็อปปิ้ง หลอดพลาสติก

มีขยะจากพลาสติกราว 9 ล้านตันถูกพัดพาไปกับสายน้ำ ลงไปสู่บริเวณชายฝั่งและมหาสมุทร มีการคาดการณ์ว่า หากคุณคิดจะตกปลาในปี ค.ศ. 2050 เวลาคุณสาวคันเบ็ดขึ้นมา คุณอาจจะเจอเจอแต่ถุงพลาสติก ไม่ใช่ปลา เนื่องจากสัตว์น้ำสูญเสียแหล่งอาศัยสำคัญ แล้วมนุษย์ก็จะถูกสั่นคลอนความมั่นคงทางอาหารชนิดรุนแรง

รณรงค์นั้นยาก เพราะไม่มีใครทำกำไรได้

ทำไมภารกิจกอบกู้สิ่งแวดล้อมต่างๆ นานาถึงเกิดยากเย็นนักจากหลายๆ ประเทศ เหตุผลที่ง่ายและ make sense ที่สุดคือ เพราะการช่วยสิ่งแวดล้อมไม่ได้ช่วยให้ธุรกิจเติบโต กระบวนการรีไซเคิลที่ทำๆ กันมาไม่ได้สร้างการเปลี่ยนแปลงมากนักในการลดปริมาณพลาสติก เพราะพลาสติกก็ยังคงเป็นพลาสติกอยู่วันยังค่ำ เพียงแต่กระบวนการ recycle จะบดพลาสติกจนละเอียดเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย จากนั้นโรงงานก็นำมาประกอบใหม่เป็นพลาสติกที่มีคุณภาพต่ำ ขายไม่ค่อยได้ราคา

ดังนั้นอาจต้องเปลี่ยนที่ Mindset ว่า ถ้าเรารีไซเคิลพลาสติกนั้น จะต้องทำให้มี ‘มูลค่า’ สูงกว่าของเดิม ต้องทำให้มีกำไรจากการรีไซเคิล ผู้คนถึงจะยอมทำตามกัน คือสามารถดีต่อสิ่งแวดล้อมและดีต่อตัวเลขในบัญชีได้เองด้วย ความคิดเหล่านี้เองที่ทำให้ระบบ Bio Based Recycling ถูกหยิบยกมาเป็นหัวใจหลักในการพัฒนาสำหรับทศวรรษต่อไป เราต้องยืมพลังธรรมชาติมาช่วยจัดการสิ่งที่เราทำทิ้งไว้ “โมเลกุลสิ่งมีชีวิตจิ๋วจะย่อยพลาสติกเป็นวัตถุดิบที่มีมูลค่าสูง” ต้องทางนี้เท่านั้น เทรนด์รีไซเคิลถึงจะตื่นเต้น

วิทยาศาสตร์หวนกลับมาทำความเข้าใจกลไกธรรมชาติ

ทีมนักวิทยาศาสตร์จาก National Renewable Energy Laboratory และอีกหลายๆสถาบันพยายามสังเคราะห์เอ็นไซม์จากธรรมชาติที่ย่อยสลายพลาสติกได้ หรือเปลี่ยนพลาสติกเป็นผลผลิตที่มีมูลค่าสูงอื่นๆ หากเรายังจำเป็นต้องใช้พลาสติกกันอยู่อีกหลายสิบปี การใช้และการพยายามควบคุมให้ได้อาจจะเป็นออกที่ดีที่สุด เพื่อที่โลกจะไม่มีพลาสติกท่วมหัวเสียก่อน

สถาบัน Renewable Energy Lab ตั้งอยู่ในรัฐโคโรราโด สหรัฐอเมริกา รวมนักวิทยาศาสตร์ด้านพลังงานหมุนเวียนหลายเชื้อชาติ ทั้งจากสหรัฐฯ อังกฤษ บราซิล โดยทำงานร่วมกันเป็นดรีมทีม แบ่งสรรงานกันว่า ทีมนี้ออกแบบโพลีเมอร์สังเคราะห์ อีกทีมศึกษากลไกการทำงานของแบคทีเรียและราที่สามารถย่อยสลายเซลลูโลส ส่วนอีกทีมพัฒนาเอ็นไซม์ที่ช่วยย่อยสลายโพลีเมอร์

โครงการวิจัยนี้ต่อยอดจากองค์ความรู้ของนักวิจัยชาวญี่ปุ่นที่ตีพิมพ์งานวิจัยในวารสาร Science ในปีค.ศ. 2016 ซึ่งพบว่ามีแบคทีเรียชนิดหนึ่งพบใน เมืองซาไก จังหวัดโอซากะ เป็นเมืองที่ผลิตบรรจุภัณฑ์สำคัญของประเทศ แต่พบแบคทีเรียนี้ที่สามารถย่อย ‘พอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต’ (Polyethylene Terephthalate หรือ PET) ซึ่งเป็นวัสดุสำคัญในการทำพลาสติก

นักวิจัยชาวญี่ปุ่น เคนจิ มิยะโมะโตะ (Kenji Miyamoto) จากมหาวิทยาลัย Keio University ค้นพบแบคทีเรียนี้ด้วยความบังเอิญ โดยแบคทีเรียจะสร้างเอ็นไซม์ที่ค่อยๆ ย่อยสลาย PET อย่างน่าอัศจรรย์ ซึ่งแบคทีเรียนี้มีชื่อทางวิทยาศาสตร์ว่า Ideonella sakaiensis

แต่ปัญหาก็คือ กระบวนการย่อยสลายโดยแบคทีเรียใช้ระยะเวลานานถึง 6 สัปดาห์ในอุณหภูมิร้อนชื้น ถึงจะสามารถย่อยแผ่นฟิลม์ที่เคลือบผิว PET ซึ่งก็ยังไม่เพียงพอที่จะนำมาใช้ในเชิงปฏิบัติ อย่างไรก็ตามองค์ความรู้นี้ได้ถูกต่อยอดไปอีกโดย Renewable Energy Lab ทำอย่างไรที่เราจะเลี้ยงแบคทีเรียพิเศษนี้จนดึงพลังของมันออกมาใช้และควบคุมได้ตามที่เราต้องการ

พวกเขาจึงศึกษาระดับยีนของแบคทีเรีย Ideonella sakaiensis แล้วนำยีนนี้ออกมาใส่ให้กับแบคทีเรีย E.coli ที่เลี้ยงง่าย มีอัตราเจริญเติบโตสูง (มันคือแบคทีเรียสำคัญที่ทำให้คุณท้องเสีย อาหารเป็นพิษ) โดยมีกระบวนการทำให้ห้องทดลองมีสภาพแวดล้อมปิด จนพบว่าแบคทีเรียสามารถย่อย PET เร็วขึ้น 30% หมายความว่านักวิทยาศาสตร์สามารถเลี้ยงและบ่มเพาะคุณสมบัตินี้ได้ และมีแนวโน้มว่าการรีไซเคิลผ่านกระบวนนี้จะทำให้ได้วัตถุดิบที่มีความทนทานสูง น้ำหนักเบา มีคุณสมบัติคล้าย kevlar ซึ่งสามารถนำไปดัดแปลงเป็นชิ้นส่วนเรือ รถยนต์ หรือเครื่องบินได้

ธรรมชาติโต้กลับ

น่าสนใจที่ธรรมชาติก็พยายามจัดการกับพลาสติกล้นโลกจากแบคทีเรียที่ค่อยๆ ย่อยสลายอย่างช้าๆ แบคทีเรียพยายามพัฒนาตัวเองให้กินพลาสติกเป็นพลังงาน หรือในจุลชีพและเห็ดราบางชนิดก็สามารถสร้างเอ็นไซม์ esterases ย่อยสลาย PET และไนลอนได้

หรือในทะเลสาบซูริก (Zurich) ประเทศสวิตเซอร์แลนด์มีจุลชีพอยู่ 4 ชนิด ที่กินโพลียูรีเทน (Polyurethane, PU) เป็นอาหาร

อีกซีกโลกในคาบมหาสมุทรอินเดียมีแบคทีเรียอีกชนิดที่ย่อย ‘พอลิไวนิลแอลกอฮอล์’ (PVA) ได้อีก นี่จึงเป็นสัญญาณที่บ่งบอกว่าธรรมชาติเอง ก็ผลักดันให้สิ่งมีชีวิตมีพัฒนาการที่ช่วยย่อยสลายสิ่งที่มนุษย์ทิ้งไว้ แต่เป็นกระบวนการย่อยสลายที่ค่อยเป็นค่อยไปอย่างแช่มช้า ใช้เวลาหลายร้อยปี

แต่เมื่อมนุษย์ยังจะอาศัยอยู่บนโลก ซึ่งเราเองได้รับผลกระทบอย่างรุนแรงเช่นกัน กระบวนการย่อยสลายจึงต้องทำให้เร็วขึ้นแข่งกับเวลา แต่ความก้าวหน้าทางวิทยาการนี้ก็ไม่ควรต้องไม่จบลงเหมือนนิยายชื่อ Mutant 59 ที่มนุษย์สามารถเลี้ยงไวรัสที่ย่อยสลายโลหะได้ จนไวรัสหลุดรอดไปโลกภายนอก กระทั่งย่อยกระสวยอวกาศ ย่อยชิ้นส่วนเครื่องบิน จมเรือดำน้ำ กลายเป็นหายนะของมนุษย์แทน

ดังนั้นกระบวนการย่อยสลายด้วยแบคทีเรียที่ปรับปรุงพันธุกรรมแล้วอาจจะยังไม่สามารถปล่อยไปยังแหล่งน้ำตามธรรมชาติได้โดยทันที แต่จะใช้ในอุตสาหกรรมระบบปิดช่วยในการรีไซเคิลพลาสติกให้มีประสิทธิภาพมากกว่าเดิม แต่ก็ใช่ว่าในธรรมชาติจะไม่มีแบคทีเรียสายพันธุ์กินพลาสติกเลย พวกมันกำลังมีวิวัฒนาการอย่างช้าๆ ในวิถีแบบดั้งเดิมที่อาจสร้างทั้งคุณและโทษต่อชีวิตมนุษย์

แต่ก็น่าสนใจว่า ‘แบคทีเรีย’ อาจเป็นผู้เล่นสำคัญบนโลกใบนี้ พวกมันอยู่มาร้อยล้านปี มีหรือจะไม่รู้ว่าควรมีชีวิตต่อไปอย่างไร

อ้างอิงงานวิจัย

Structure of the plastic-degrading Ideonella sakaiensis MHETase bound to a substrate
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09326-3

Genetic Engineered Ideonella Sakaiensis Bacteria: A Solution of the Legendary Plastic Waste Problem
https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=3194556