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.
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.
