Улучшенный природный фермент спасёт мир от термопластика

Неожиданное улучшение эффективности природного фермента при разложении пластика даёт надежду на очистку планеты.

Фото Dennis Schroeder / NREL.

Микрофотография результатов работы фермента по разложению термостойкого пластика.

Иллюстрация Dennis Schroeder / NREL.

Когда учёные разрабатывали первые пластики и гордились своими достижениями в области их функциональности, мало кто задумывался о том, что уже через каких-нибудь 80 лет огромные острова полимерных отходов в океане будут приводить в ужас экологов по всему миру. Более того, никто не предполагал, что как микрочастицы пластика, так и отдельные его компоненты будут накапливаться в организмах большинства живых существ на Земле, включая человека.

Один из подходов к решению этой проблемы, которая уже давно тянет на ранг экологической катастрофы планетарного масштаба, – это поиск путей разложения всего того, что уже произведено и переход на производство биоразлагаемых материалов в будущем. Наибольших успехов в безопасной для окружающей среды переработки обычного пластика пока достигли только бактерии и черви. Но эксплуатация живых организмов всегда связана с массой трудностей, поскольку у них есть собственные потребности для успешного выполнения "порученной человеком" работы.

Именно поэтому команда исследователей из Университета Портсмута и Национальной лаборатории возобновляемой энергии Министерства энергетики США (NREL) во главе с Джоном МакГиханом (John McGeehan) и Грегом Бэкхемом (Gregg Beckham) занялась изучением фермента бактериального происхождения PETase, который способен разлагать один из наиболее распространённых видов термопластика – полиэтилентерефталат, или ПЭТ.

Учёных интересовала кристаллическая структура фермента. Они построили трёхмерную модель молекулы и в процессе изучения принципов её функционирования случайно смоделировали более эффективную форму.

Микрофотография результатов работы фермента по разложению термостойкого пластика.

Стоит отметить, что изучаемый фермент был открыт совсем недавно. Его "научились" вырабатывать бактерии, которые питались пластиковыми отходами в специализированном центре в Японии. Как считается, произошло это в ходе эволюционного процесса.

Чтобы понять мельчайшие особенности структуры PETase, учёным пришлось обратиться к методу рентгеновской микроскопии с использованием синхротронного излучения. Именно с его помощью можно "разглядеть" отдельные атомы в структуре кристалла.

Получив в итоге невероятно точную трёхмерную модель фермента, исследователи заметили, что его структура напоминает другой фермент – кутиназу, который гидролизует (то есть как раз разлагает) кутин, разновидность воска. При этом одним из отличий структуры PETase оказалась большая доступность его активного центра для манипуляций. А если что-то можно в природном материале "подкрутить", то настоящий учёный обязательно это сделает.

Идея для мутации была довольно проста – сделать фермент ещё более похожим на кутиназу. К удивлению исследователей, мутант оказался более эффективным, чем природный аналог. Более того, он был способен разлагать не только ПЭТ, но и другой полимер — полиэтилен фурандикарбоксилат, который считается биосовместимым и позиционируется как заменитель стеклянных бутылок.

В пресс-релизе NREL авторы отмечают, что достигнутое ими увеличение эффективности нельзя назвать колоссальным. Главное, что они сделали – это разработали метод, с помощью которого можно и дальше модернизировать фермент, чтобы однажды с его помощью очистить планету от пластика.

На сегодняшний день исследователи продолжают работу и исследуют эффективность мутантного фермента при разложении других полимеров. Результаты же описанной работы были опубликованы в издании PNAS.

Напомним, что очевидным и скрытым проблемам экологии в проекте "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) посвящён специальный раздел, откуда можно узнать, не только о проблеме пластиковых отходов, но и, например, о постепенном насыщении воды (в том числе канализационной) лекарственными препаратами.