Биологи случайно улучшили фермент, расщепляющий пластик

Ученые университета Портсмута и Национальной лаборатории возобновляемой энергии (National Renewable Energy Laboratory, NREL) Министерства энергетики США изучали структуру фермента ПЭТазы. Попытка изучить механизм его работы неожиданно привела к повышению его эффективности на 20 процентов.

ПЭТаза (PETasa) расщепляет полиэтилентерефталат (ПЭТ) — пластик, используемый для изготовления баклажек для пива и газированных напитков. Полиэфирное волокно лавсан (полиэстер, дакрон) также состоит из ПЭТ. Утилизация отработанных изделий без экологических рисков — важная и актуальная проблема.

Японские специалисты в 2016 году обнаружили в почве вблизи завода по производству пластика бактерию Ideonella sakaiensis, которая успешно расщепляет ПЭТ на этиленгликоль и 1,4-бензолдикарбоновую кислоту. Миллиметровый слой полиэтилентерефталата такие бактерии переработают приблизительно за семь-восемь месяцев, поэтому интерес к работе фермента вполне понятен: отходы ПЭТ копились по всему миру десятилетиями.

Исследование было международным: ученые построили трехмерную модель энзима, используя возможности ускорительного комплекса третьего поколения Diamond Light Source (Оксфордшир, Великобритания). Специалисты получили 3D-модель с мельчайшими деталями при помощи длинноволнового молекулярного кристаллографа I23.

Профессор Джон МакГихан (John E. McGeehan) одобрил качество данных: «Возможность наблюдать работу этого биологического катализатора дала нам черновики для создания более быстрого и эффективного фермента». ПЭТаза, как выяснили ученые, по структуре похожа на белок кутиназу. Кутин — особое вещество, выделяемое верхним слоем растительного листа. Оно состоит из жирных кислот и их эфиров, уменьшает испарение воды. Кутиназа расщепляет это природное вещество, но не полимеры.

Активный центр ПЭТазы более доступен, может удерживать и полимерные молекулы. Находка бактерий возле завода указала на вероятную эволюцию микроорганизмов, которые стали вырабатывать энзимы, расщепляющие ПЭТ. Гипотеза нуждалась в проверке, и ученые изменили бактерии так, что в вырабатывающейся ПЭТазе активный центр получался по образцу кутиназы. Исследователи считали, что активность переработки полиэтилентерефталата снизится, так как полимерные молекулы «не влезут» в активный центр. Результат оказался неожиданным: энзим стал активнее природного аналога на 20 процентов и смог переработать полиэтилен-фурандикарбоксилат (PEF) — этот пластик может заменить ПЭТ в практическом применении.

Джон МакГихан доволен результатом: «Технологически процесс получения фермента почти такой же, как при получении белков биологических детергентов (профессиональные чистящие средства — NS. — Прим. ред.) и производстве биотоплива. Технология существует, и есть большая вероятность, что в последующие годы мы увидим промышленную переработку ПЭТ и, возможно, других веществ».

Промышленное производство различных пластмасс накопило более восьми миллиардов тонн отходов в мире, 80 процентов из которых выбрасывают без переработки.

Полиэтилентерефталат — не первый полимерный пластик, который переработают при помощи биотехнологий. Некогда считали, что бактерии не разлагают и не перерабатывают полиэтилен, поскольку он отсутствует в природе. Сейчас ученым известны бактерии Nocardia asteroides и грибки Penicillium simplicissimum, перерабатывающие полиэтилен, и даже более сложные организмы: личинки восковой и индийской моли успешно утилизируют его. А мучные черви могут переваривать полистирол.

Люди в XIX веке думали, что в XX-м главной проблемой городов будет уборка лошадиного навоза с улиц. Экологи в конце прошлого столетия считали проблему биологической утилизации пластика неразрешимой. Все они, к счастью, ошибались.