Революция в утилизации отходов: бактерия, пожирающая пластик

Ученым удалось усовершенствовать существующий в природе фермент, который способен разлагать некоторые из наиболее распространённых полимеров, загрязняющих окружающую среду.

Наиболее распространенный пластический материал - PET, или полиэтилен, - который используется при производстве бутылок, в течение сотен лет остается неизменным на свалках. Он крайне медленно распадается под воздействием природных факторов.

Модифицированный фермент, получивший обозначение PETase, начинает разлагать этот полимер в течение нескольких дней. Это может привести к революции в деле утилизации пластмассовых отбросов.

Только в Британии в течение года приобретается около 13 миллиардов пластмассовых бутылок, из которых более 3 миллиардов никогда не утилизируются и оказываются на свалках.

Находка на свалке

Первоначально этот фермент был обнаружен в Японии. Он является продуктом жизнедеятельности бактерии Ideonella sakaiensis, которая пожирает полиэтилен PET в качестве основного источника энергии.

Японские ученые сообщили в 2016 году, что они обнаружили разновидность этой бактерии на заводе по переработке пластиковых бутылок в портовом городе Сакаи.

"Полимер PET стал появляться в огромных количествах только за последние 50 лет, и это не слишком длительный срок для развития бактерий, которые способны поглощать этот искусственный материал", - говорит профессор Джон Макгиан из Портсмутского университета, который участвовал в исследовании.

PET (полиэтилентерефталат) принадлежит к группе сложных полиэфиров, встречающихся в естественных условиях.

"Они присутствуют в листьях растений, - отмечает профессор. - В течение миллионов лет развились бактерии, которые питаются такими полиэфирами".

Однако обнаружение бактерии, способной перерабатывать именно полиэтилены класса PET, было неожиданностью для биохимиков. Была сформирована международная группа ученых, которые поставили целью определение природы и путей эволюции фермента PETase.

Бактерия пожирает пластик

Биохимики создали трехмерную компьютерную модель фермента, применив мощный рентгеновский лазер.

Разобравшись в молекулярной структуре этого фермента, ученые отметили, что эффективность действия PETase можно улучшить, внеся изменения в его поверхностную структуру.

Это указывает на то, что встречающийся в природе фермент не оптимизирован, и что существует возможность его улучшения.

Фермент PETase испытывался также на полимерах класса PEF, основанных на биоматериалах растительного происхождения, но тоже очень медленно распадающихся в естественных условиях.

"Нас поразило то, что этот фермент еще лучше воздействует на полимеры PEF, чем на полимеры PET", - заявил профессор Макгиан.

Анализ - Дэвид Шукман, отдел науки Би-би-си

В состав группы исследователей в Портсмутском университете входят аспиранты и даже студенты, и когда я побывал в их лаборатории, то не мог не разделить их энтузиазма. Они знают, что изобретение полимера класса PET потребовало больших усилий химиков, и гордятся тем, что им удалось найти способ его ускоренного разложения. Этот полимер используется при производстве миллиардов пластиковых бутылок во всем мире. Нынешнее поколение молодых химиков осознаёт проблему пластикового загрязнения и прилагает все усилия для ее решения.

Однако на пути трансформации этого открытия в практически применимую технологию будет немало препятствий. Во-первых, предстоит разработать способы недорогого производства такого фермента в промышленных масштабах; во-вторых, необходимо получить надежные методы его применения и контроля над его действием.

Утилизация замкнутого цикла

Сложные полиэфиры, получаемые при переработке нефти, широко используются при производстве пластиковых бутылок и одежды. Существующие методы их утилизации основаны на снижении их качества на каждом этапе переработки. Например, пластиковые бутылки сначала превращаются в волокно, используемое в производстве одежды, затем в производстве ковров, после чего они часто заканчивают свой путь на свалке.

Фермент PETase обращает этот процесс вспять, превращая сложные полиэфиры в более простые молекулы, которые можно использовать заново.

"Такие молекулы могут использоваться при производстве других полимеров, таким образом исключая из процесса нефть… В этом случае мы создаем замкнутый цикл производства и переработки, что необходимо при полной утилизации", - отмечает профессор Макгиан.

Этот фермент еще далек от промышленного использования. Необходимо ускорить его действие - в настоящее время он требует нескольких дней. В случае промышленного использования утилизация с его помощью должна занимать часы, а не дни.

Но профессор Макгиан надеется, что полученные результаты означают начало крупного сдвига в проблеме утилизации пластиковых отходов.

"В настоящее время остро ощущается потребность уменьшения объемов пластиковых отходов, которые заканчивают свой путь на свалках или попадают в окружающую среду, и если нам удастся применить новые методы, то мы получим решение этой проблемы в будущем", - говорит ученый.