Бактерии научились разлагать пластик

Пляжи завалены пластиковыми бутылками и обертками. Желудки морских черепах наполнены осколками пластика. Пластиковые рыболовные сети, выброшенные в море, могут задушить ничего не подозревающих животных. А в Тихом океане водное пространство, более чем в два раза превышающее площадь Франции, усеяно пластиковыми отходами весом не менее 79 тыс. тонн. Наряду с такими известными решениями, как переработка отходов, появилось новое: микроорганизмы. Некоторые микробы развили у себя способность питаться определенными видами пластмасс, расщепляя их на молекулы, пишет The Guardian.

Люди производят огромное количество пластика. По данным торговой ассоциации Plastics Europe, в 2020 году в мире его было произведено 367 млн тонн. Это несколько меньше, чем в 2019 году, когда было произведено 368 млн тонн — вероятно это связано с пандемией Covid-19, так как ранее производство увеличивалось почти каждый год, начиная с 1950-х. Исследование, проведенное в 2017 году, показало, что в общей сложности было произведено 8,3 млрд тонн пластика. По данным Всемирного банка, в 2016 году в мире образовалось 242 млн тонн пластиковых отходов. Производство пластика подразумевает использование ископаемых видов топлива, таких как нефть, со всеми вытекающими отсюда рисками загрязнения. При производстве пластмасс также выделяются парниковые газы, которые способствуют глобальному потеплению. Только индустрия пластмасс в США ежегодно выделяет 232 млн тонн парниковых газов.

Решение этой проблемы состоит не в том, чтобы полностью отказаться от использования пластмассы, потому что она полезна и удобна в использовании. Например, пластиковые бутылки намного легче стеклянных, поэтому для их транспортировки требуется меньше энергии и выделяется меньшее количество парниковых газов. Но новое решение в утилизации пластика необходимо. И здесь на помощь приходят микроорганизмы.

Как и все пластмассы, полиэтилентерефталат (ПЭТ) — это материал, состоящий из длинных нитевидных молекул. Они собраны из более мелких молекул, соединенных вместе в цепочки. Химические связи в цепочках ПЭТ прочны, поэтому они долговечны.

В 2016 году исследователи во главе с микробиологом Кохеем Одой из Киотского технологического института в Японии сообщили о неожиданном открытии. Ученые взяли образцы осадка и сточных вод, загрязненных ПЭТ, и проверили их на наличие микроорганизмов, которые могли расти на пластике. Так был обнаружен новый штамм бактерий, называемый Ideonella sakaiensis 201-F6. Эта бактерия может использовать ПЭТ в качестве основного источника питательных веществ, разрушая ПЭТ в процессе питания. Дело в том, что Ideonella sakaiensis 201-F6 производит два уникальных фермента, способствующих быстрому разложению этого пластика. Первый — это петаза, которая расщепляет длинные молекулы ПЭТ на более мелкие молекулы, называемые MHET. Затем в работу вступает второй фермент, называемый метазой, производящий этиленгликоль и терефталевую кислоту.

Это открытие попало в заголовки газет по всему миру, но это был не первый пример организма, способного разлагать пластик. Сообщения о таких микробах датируются, по крайней мере, началом 1990 годов. Самые ранние примеры были, возможно, менее примечательны, потому что в них микробы могли есть только те пластмассы, которые были химически хрупкими или легко поддавались биологическому разложению. Но к 2000- годам исследователи нашли ферменты, которые справляются с более стойкими пластмассами. Выдающимся ученым в этой области был Вольфганг Циммерманн из Лейпцигского университета в Германии. Его команда изучала ферменты, называемые кутиназами, которые были получены из бактерий, таких как Thermobifida cellulosilytica, и которые также могли расщеплять ПЭТ. Ларс Бланк из Ахенского университета в Германии организовал создание консорциума исследователей для изучения ферментов, поедающих пластик. Бланк создал проект под названием MIX-UP, в рамках которого сотрудничают европейские и китайские исследователи. К середине 2010 годов было известно множество ферментов, разлагающих пластик. Так почему же Ideonella sakaiensis 201-F6 вызвала такой ажиотаж? «Дело в том, что этот микроорганизм мог использовать пластик в качестве единственного источника энергии и пищи», — объяснил Джон Макгихан из Портсмутского университета (Великобритания). Иными словами, более ранние ферменты эволюционировали, чтобы разрушать молекулы с прочными связями, встречающиеся в живых существах, а их способность разлагать пластик была побочным эффектом. Напротив, ферменты в Ideonella sakaiensis 201-F6 -специализированные. Макгихан и его коллеги изменили структуру петазы Ideonella sakaiensis 201-F6. Это сделало фермент более эффективным при разложении ПЭТ. В планах ученых — еще больше модифицировать петазу и другие подобные ферменты, чтобы их можно было использовать в промышленных масштабах для расщепления пластмасс. «Мы получили от правительства грант в размере £6 млн от правительства и основали Центр инноваций в области ферментов», — рассказал Макгихан.

До сих пор большая часть деятельности велась в университетах, но были и попытки коммерциализировать эту технологию. Университет Портсмута создал компанию Revolution Plastics, целью которой является налаживание связей между учеными и промышленностью. «Мы уже объявили о совместном проекте с Coca-Cola», — сообщил Макгихан. Одним из самых передовых проектов руководит французская биотехнологическая компания Carbios. В сентябре 2021 года она открыла пилотный завод в Клермон-Ферране, где будет тестировать систему переработки ПЭТ