Обнаружены бактерии, пожирающие пластиковые бутылки

Ученые случайно улучшили разрушающий ПЭТ фермент, который вырабатывают бактерии, питающиеся пластиком.

Мир природы стремительно превращается в гигантскую кучу пластиковых отходов. Уже имеется шесть(!) гигантских  мусорных островов из пластика, плавающих в океане. Даже такие отдаленные от нас районы, как Арктика, небезопасны. Окружающая среда буквально задыхается от нашего мусора. Рыбы, птицы и другие животные, все они невольно потребляют пять триллионов тонн пластика, разбросанных по океану, и это может убить их.

Ученые пытаются придумать новые решения для борьбы с кризисом пластикового загрязнения. В новом исследовании, которое будет опубликовано в трудах Национальной Академии Наук США на этой неделе, международная группа ученых показывает, как они случайно создали новый фермент, способный расщеплять пластиковые бутылки. Это впервые позволит полностью полностью утилизировать пластиковые бутылки для напитков, значительно уменьшив загрязнение пластиком окружающей среды.

Новое исследование связано с открытием на японской свалке отходов в 2016 году новых видов бактерий, которые эволюционировали для получения энергии для свой жизнедеятельности из ПЭТ (полиэтилентерефталата), термопластика, известного как лавсан, или майлар, и обычно используемого в 1 миллионе бутылок безалкогольных напитков, продаваемых каждую минуту по всему миру. Команда ученых первоначально начала проводить тесты, чтобы увидеть, как бактерии Ideonella sakaiensis удалось произвести фермент, способный разлагать ПЭТ. Эти тесты, как потом выяснилось, ненароком привели к получению фермента PETase, который даже лучше перерабатывал ПЭТ. Полученный фермент-мутант PETase всего за несколько дней разлагает пластик, который естественным путем разлагается 450 лет.

Модель структуры фермента PETase.

Характерное применение PETase — это разложение пластиковых бутылок до того как они попадут в окружающую среду. Тем не менее, этот фермент может также изменить подходы к утилизации и повторному использованию пластика (Plastics Recycling). «Современные стратегии переработки для ПЭТ бутылок, в основном сосредоточены на механической переработке, поэтому они измельчают бутылки, чтобы впоследствии их использовать для изделий, к которым обычно не предъявляются такие требования, как к бутылкам», — говорит соавтор исследования Грэг Бэкхем (Gregg Beckham), исследователь из Департамента Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии энергетики США. «Созданные ферменты, которые расщепляют ПЭТ до его составляющих позволят провести полную утилизацию бутылки, чтобы создать из полученных веществ новую». Тем самым, это поможет снизить спрос на нефть для нового производства пластмасс.

После изучения характеристик структуры фермента PETase путем облучения его рентгеновскими лучами на синхротроне Diamond в Великобритании, который может облучать объекты лучами в 10 миллиардов раз ярче солнечных и помогает ученым отделять атомы друг от друга, команда немного изменила структуру PETase, чтобы сравнить её с другим ферментом, который разрушает кутин (воскоподобный полимер, найденный в защитном покрытии у растений). Этот процесс неожиданно дал PETase 20-процентное улучшение в процессе разложения ПЭТ.

Это не совсем радикальное отличие от оригинального фермента PETase, но оно дает возможность пойти дальше и превратить фермент PETase во что-то с реальными и значительными возможностями применения. Бекхэм и его команда уже подали заявку на патент в надежде сделать фермент, стабильной и активной при температуре выше 158 градусов по Фаренгейту (70 градусов Цельсия), при которой ПЭТ становится эластичным и расщепляет от 10 до 100 раз быстрее.

«Сродни стиральному порошку, который содержит много ферментов, которые производятся в промышленных масштабах для очистки нашей одежды, можно было бы представить себе ферментную систему, которая способна принимать ПЭТ-бутылки в большом промышленном реакторе с горячей водой и быстро разлагать бутылки до их химических составляющих компонентов», —  говорит Бекхэм. «Многие группы по всему миру сейчас работают над достижением этой цели, и я ожидаю, что это станет реальностью в следующем десятилетии или, надеюсь, гораздо раньше».

Оригинальная бактерия Ideonella sakaiensis далеко не первый живой организм, обладающий способностями к переработке пластика. Например, было обнаружено, что гусеницы бабочки Waxworm разрушают пластмассы за несколько часов, а в кишечнике большого мучного хрущака (mealworms) найдены микробы, которые пожирают полистирол.

Бекхэм считает, учитывая, насколько повсеместным стало загрязнение окружающей среды, что «вполне вероятно, что микробы развиваются быстрее и вырабатывают более эффективные стратегии разушения пластмасс. Кажется, что природа эволюционирует в [подобных] решениях».