По данным ООН, ежегодно человечество производит более 400 миллионов тонн пластика. Примерно ⅔ этого объема приходится на недолговечные изделия, которые вскоре превращаются в отходы: 46 процентов пластиковых отходов оказываются на полигонах, еще 22 процента неправильно утилизируются и становятся мусором, попадающим в окружающую среду. Он накапливается в океане, попадает в почву и воздух, а микропластик распространяется даже по воздуху. Эти частицы уже находили в различных органах человека — в том числе яичниках и обонятельных луковицах мозга.
В то же время сохраняется проблема продовольственной безопасности: сотни миллионов людей по всему миру по-прежнему испытывают нехватку пищи. В 2025 году с голодом столкнулось 7,8 процента населения земного шара, или 645 миллионов человек.
Ученые давно ищут способ сократить количество пластиковых отходов и получить из них полезное сырье для производства пищи. Ранее химики обнаружили, что пластик — это прежде всего сложное органическое соединение, содержащее много углерода, а некоторые микроорганизмы умеют расщеплять отдельные виды пластика или продукты их распада и использовать содержащийся в них углерод для синтеза собственной биомассы, включая белки.
Ключевым открытием стало обнаружение в 2016 году бактерии Ideonella sakaiensis, способной расщеплять ПЭТ — материал, из которого делают пластиковые бутылки. Ее ферменты PETase и MHETase поэтапно расщепляют ПЭТ до более простых соединений, которые бактерия может использовать как источник углерода и энергии.
Отсюда у специалистов возникла идея: если сначала расщепить ПЭТ, а после «скормить» микроорганизмам, можно заставить их перерабатывать полученные соединения в собственную биомассу и другие полезные вещества, включая белки. Именно эту концепцию исследователи предложили применять для получения пищевого белка из пластиковых отходов.
Однако существующие технологии пока не позволяют вывести этот процесс на более высокий уровень, потому что требуют значительных затрат и в ряде случаев имеют низкую эффективность. Чтобы решить проблему, команда американских химиков и микробиологов под руководством Лахиру Джаякоди (Lahiru N. Jayakody) из Университета Южного Иллинойса в Карбондейле пошла иным путем.
Ученые объединили генную инженерию с технологией окислительного гидротермального растворения. Проще говоря, с помощью дрожжей они попытались превратить углерод из пластиковых и растительных отходов в пищевые компоненты.
Для эксперимента химики взяли обычные пластиковые бутылки из супермаркета, а также стебли и листья кукурузы, которые остаются после сбора урожая. Сырье подвергли окислительному гидротермальному растворению — методу химической переработки, при котором материалы под воздействием воды, кислорода, высокой температуры и высокого давления расщепляются на более простые соединения, способные усваиваться микроорганизмами.
Получившиеся компоненты затем передали нескольким видам дрожжей — Saccharomyces boulardii, Saccharomyces cerevisiae, Rhodosporidium toruloides. Один из них заранее генетически модифицировали с помощью технологии редактирования генов CRISPR: встроили в ДНК гены, отвечающие за выработку ферментов. Исследователи не пытались заставить один микроорганизм делать абсолютно все. Разные виды выполняли разные функции — ученые создали своего рода «биологическую производственную линию».
Джаякоди и его коллеги генетически модифицировали Saccharomyces cerevisiae, чтобы дрожжи превращали феруловую кислоту, получаемую из растительной биомассы, в ванилин — органическое вещество с сильным запахом ванили, которое применяется как ароматизатор в кулинарии, кондитерском деле и парфюмерии.
Для Rhodosporidium toruloides применили метод адаптивной лабораторной эволюции. В результате у этих бактерий улучшилась способность использовать этиленгликоль — один из продуктов расщепления ПЭТ — в качестве источника углерода. Исследователи добились того, что Rhodosporidium toruloides начали производить β-каротин, который используют как пищевой пигмент; кроме того, организм человека может превращать β-каротин в витамин А.
Новый материал объединили с белковой биомассой дрожжей, крахмалом, клетчаткой, подсластителем и сформировали смесь с помощью 3D-печати, получив готовый продукт — белковое печенье µBites со вкусом ванили. Авторы исследования пояснили, что проведенные анализы не выявили препятствий для употребления µBites в пищу. Но полноценные вкусовые испытания с участием людей пока не проводили — на это еще нужно получить разрешение.
Команда Джаякоди не просто попытались сделать белковую пищу из пластика — о такой возможности знали и раньше, — а приготовить более полноценный и привлекательный продукт.
До массового производства такой еды еще очень далеко. По словам одного из участников проекта, подобные продукты могут появиться на рынке через 20 лет. За это время исследователям предстоит проверить безопасность технологии, разработать способы переработки более загрязненных пластиковых отходов и доказать, что полученные из них пищевые ингредиенты соответствуют требованиям пищевой промышленности.
Но главная проблема заключается не только в безопасности. Даже если технология пройдет необходимые проверки, она вряд ли сможет переработать заметную долю пластиковых отходов. Объем глобального производства и накопления пластика требует совсем других технологических масштабов.
Специалисты также обратили внимание на экономические ограничения. Сбор таких отходов, разбросанных по городам, полигонам и другим территориям, требует значительных затрат. Производство нового пластика остается относительно дешевым, поэтому переработка пластиковых отходов нередко оказывается менее выгодной с экономической точки зрения.
Существует и психологический барьер. Люди все чаще сталкиваются с сообщениями о микропластике в воде, пище и окружающей среде. Поэтому идея съесть печенье, исходным материалом для которого послужила пластиковая бутылка, может вызвать у потребителя больше отторжения, чем интереса. Дополнительные вопросы вызывает использование генетически измененных микроорганизмов.
Поэтому ученые пока не рассматривают такую технологию как готовое решение глобальной проблемы. Для них эксперимент скорее показывает возможное направление дальнейших исследований. Если микроорганизмы способны превращать отходы в полезные вещества, этот принцип можно попытаться применить не только для создания пищевых компонентов.
Исследователи представили свои результаты на конференции Американского химического общества в Чикаго.