По данным Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), всего за два десятилетия ежегодное производство пластиковых отходов в мире выросло со 180 миллионов тонн до более чем 350 миллионов тонн. При таких темпах, по оценкам экспертов, к 2050 году объем пластиковых отходов в окружающей среде достигнет 12 миллиардов тонн. Для борьбы с этим бедствием поиск альтернатив пластику стал настоятельной необходимостью. В связи с этим группа китайских исследователей выдвинула инновационную идею: дать жизнь пластику. Говоря конкретнее, они разработали биоразлагаемый «живой» пластик — решение, которое может наконец сделать этот вид материала экологически чистым.
В 2016 году исследователи из Киотского университета обнаружили микроб, питающийся пластиком, изучая кучи отходов на заводе по переработке мусора в Японии. Проанализировав 250 образцов, команда выделила Ideonella sakaiensis - бактерию, способную питаться определенным видом пластика, полиэтилентерефталатом (ПЭТ). Затем исследователи определили фермент, используемый этой бактерией для расщепления ПЭТ: ПЭТаза. Позднее ученые из Портсмутского университета (Великобритания) обнаружили второй фермент - MHETase, гибрид, полученный в результате комбинации этих двух ферментов. Он оказался в шесть раз эффективнее при расщеплении ПЭТ, чем ПЭТаза.
На основе этой гибридной версии исследователи из Шэньчжэньского института передовых технологий Китайской академии наук (SIAT) создали «живой» пластик. Основное отличие от стандартного пластика заключается в том, что в его структуре, относящейся к типу поликапролактона (PCL), содержатся споры бактерий. Однако ферменты активируются только тогда, когда пластик начинает разрушаться. «Живой пластик оставался стабильным при замачивании в газировке в течение 60 дней, что говорит о возможности его использования в качестве упаковочного материала», — говорится в пресс-релизе исследователей.
Бактерия Bacillus subtilis в центре прорыва
Для производства материала команда под руководством биолога-синтетика Ченванга Танга выбрала бактерию Bacillus subtilis. Почему выбор пал именно на нее? Да просто потому, что ее ферменты, представляющие собой крупные белки со сложной структурой, нестабильны и хрупки. Однако в споровой форме Bacillus subtilis устойчива к высоким температурам и давлению.
Говоря конкретнее, команда интегрировала ген фермента липазы из бактерии Burkholderia cepacia (сокращенно BC) в ДНК Bacillus subtilis. Затем они подвергли генетически модифицированные бактерии воздействию ионов тяжелых металлов, чтобы превратить их в споры. Используя поликапролактоновые пластиковые шарики, исследователи смешали две структуры. Расплавив смесь, они создали твердые, прочные куски пластика.
По мере того как поверхность живого пластика разрушается, выделяющиеся споры постепенно прорастают. Затем B. subtilis, содержащая ген липазы BC, почти полностью разрушает молекулы PCL. Чтобы сделать еще один шаг вперед в своем анализе, Танг и его коллеги использовали вторую липазу, на этот раз произведенную бактерией Candida antartctica. Цель заключалась в том, чтобы ускорить процесс деградации, и этот подход оправдал себя. Ученые обнаружили, что бактериям потребовалось всего 6-7 дней, чтобы разрушить пластик.
Устойчивые бактериальные споры
Чтобы убедиться, что споры бактерий устойчивы к процессу приготовления при производстве других видов пластика, исследователи модифицировали ферменты, разлагающие пластик, таким образом, чтобы они включали флуоресцентные маркеры. Затем бактерии были включены в различные стандартные пластиковые материалы, включая PLA, PBS, PBAT, PHA и PET. Для производства этих продуктов требуется температура до 300 °C.
В ходе испытаний пластики, содержащие в своей структуре споры бактерий, излучали флуоресцентное свечение независимо от того, разлагались они или плавились. Команда пришла к выводу, что споры (содержащие ферменты для деградации) смогли «пережить» процесс приготовления пищи и активизировались только после начала эрозии. По словам команды, «пластик смог полностью распасться без добавления антибиотиков, что подчеркивает надежность системы». Это творение Танга и его коллег не является первым. Исследователи из Университета Сан-Диего также разработали пластик, содержащий бактериальные споры, которые действуют аналогичным образом.
С результатами исследования, опубликованными в журнале Nature Chemical Biology, можно ознакомиться .