Пластик — это удобно, но производство и особенно утилизация пластмасс оставляют желать лучшего. Для их создания применяют компоненты, получаемые из ископаемого топлива, а это увеличивает нашу и без того крайне сильную зависимость от нефти и газа. К тому же в природе пластик распадается на все более мелкие частицы, загрязняя окружающую среду.
Сама природа предлагает вариант решения этой проблемы. Науке известны бактерии, которые умеют переваривать некоторые виды пластика, плюс ученые уже разработали новые ферменты, ускоряющие этот процесс. Теперь шаг вперед в отрасли производства пластмасс сделали исследователи из Южной Кореи. Им удалось «сконструировать» специальные бактерии нового типа и научить их синтезировать полимеры, используя глюкозу как источник энергии. Причем перерабатывать такой пластик несложно.
Как это работает?
Команда ученых сосредоточилась на системе, которую бактерии используют для создания полигидроксиалканоатов (PHA) — это своего рода «запасные продукты» для клеток. Когда у бактерий есть много углерода и энергии (например, из сахаров), но при этом не хватает других важных веществ — азота или фосфора — они не могут активно расти и делиться. Но лишнюю энергию все равно нужно куда-то девать.
Тогда бактерии начинают накапливать излишки в виде полимеров — это и есть PHA. Можно сказать, что микроорганизмы как бы «консервируют» лишний углерод и энергию на будущее. Когда условия становятся благоприятными, то есть появляются питательные вещества, бактерии расщепляют накопленные полимеры и используют их как источник энергии и строительного материала. Это помогает им быстро активизироваться, начать расти и делиться.
Интересно, что эта система не слишком «разборчива» в выборе молекул для полимеризации. Уже известно более 150 различных молекул, которые могут быть включены в PHA. Главное в этом процессе, чтобы они могли образовывать эфирные связи (PHA — это полиэфиры) и соединяться с коферментом А (CoA) — молекулой, которая играет важную роль в клеточном метаболизме. То есть бактерия готова включать в PHA множество разных строительных блоков. Лишь бы они подходили по двум критериям: умели соединяться нужным способом и «передавались» через кофермент А, как по конвейеру.
От пробирки к живым клеткам
PHA-синтаза — фермент, который соединяет мономеры, формируя полимер, в естественных условиях использует для этого атом кислорода. Исследователи задались вопросом: что, если попробовать связывать молекулы через атом азота, как это происходит в аминокислотах? Поскольку природных ферментов, способных выполнять такую реакцию, не существовало, ученые решили проверить, можно ли модифицировать уже известные соединения для этой задачи.
Для начала они взяли фермент из бактерии Clostridium, он известен своей «непривередливостью» к химическим веществам. Вышло неплохо: фермент справился с задачей связывания аминокислот с коферментом А. Второй фермент, позаимствованный у бактерии Pseudomonas и слегка модифицированный, смог справиться с задачей соединять аминокислоты в полимер. В пробирке все сработало отлично: аминокислоты успешно превратились в пластик.
Но это только полдела. Настоящий вызов — заставить такую схему работать внутри живых клеток. И тут возникла проблема. Один из ферментов оказался слегка токсичным для Escherichia coli (кишечной палочки) и замедлил ее рост. Чтобы выйти из положения, ученые вывели штамм E. coli, который может выносить присутствие этого белка. В результате бактерии все-таки начали производить небольшие количества полимера из аминокислот. Если в питательную среду добавляли избыток какой-то конкретной аминокислоты, пластик обогащался именно ею.
Увеличение выхода
И все же «объем производства» полимера был невелик. Тогда исследователи решили, что аминокислоты лучше синтезировать прямо внутри клеток из доступного источника углерода — глюкозы. Они добавили дополнительные копии генов, отвечающих за синтез лизина (одной из аминокислот). Это сработало: количество полимера увеличилось, и лизина в нем стало больше.
Но появилась еще одна проблема — в синтезированных пластиках оказалось много молочной кислоты. Хотя она не входит в состав PHA, ее присутствие могло мешать процессу полимеризации. Это неудивительно, ведь молочная кислота — обычный побочный продукт метаболизма глюкозы, особенно в условиях нехватки кислорода. Чтобы уменьшить ее количество, ученые отключили ген фермента, ответственного за превращение пирувата в лактат. Это резко снизило содержание молочной кислоты в полимере.
Экспериментируя с условиями, исследователи показали, что можно создавать полимеры с разными комбинациями аминокислот и даже включать в них неаминокислотные молекулы. Добавив еще несколько ферментов в штамм E. coli, они довели выход полимера до более чем 50% от массы бактерий. А с помощью мутаций в ферменте, отвечающем за полимеризацию, удалось настроить состав синтезируемого соединения и обогатить его определенными аминокислотами.
Плюсы и минусы технологии
Разработанная схема оказалась гибкой, ведь в полимер можно включать самые разные химические соединения. Значит, получится создавать пластики с различными свойствами — это, например, высокая прочность, эластичность и так далее. Все зависит от того, какие именно мономеры включаются в полимерную цепочку.
Еще одно достоинство — это биоразлагаемость таких полимеров. Они производятся живыми организмами с помощью ферментов, так что перерабатывать их будет просто.
Как всегда, есть и недостатки. Полностью контролировать состав полимера пока не удается: можно лишь «подтолкнуть» систему к использованию определенных молекул, но фермент все равно добавляет случайные компоненты из метаболизма клетки. Еще одна проблема — очистка полимера от примесей перед использованием в производстве. Да и скорость процесса пока уступает промышленным масштабам.
Пока эта технология не готова заменить глобальное производство пластика, но она показывает потенциал биологического подхода к созданию материалов. Исследователи считают, что дальнейшая оптимизация системы может сделать ее конкурентоспособной. Возможно, однажды бактерии станут настоящими «фабриками» по производству экологичных пластиков.
