У бактерий обнаружили новый фермент, способный разрушать пластик и пенициллин
Учёные из Констанцского университета обнаружили у почвенных бактерий необычный фермент, способный одновременно расщеплять некоторые полиэфирные пластики и разрушать β-лактамные антибиотики, включая пенициллин. Исследователи назвали его ферментом «Пакман» из-за широко открытого активного центра, в который могут помещаться крупные молекулы.
Исследователи изучали, как почвенные микроорганизмы разлагают биоразлагаемые длинноцепочечные алифатические полиэфиры LCAP. Плёнки из такого материала закопали примерно на 10 сантиметров в почву ботанического сада Констанцского университета. Параллельно учёные проводили лабораторные эксперименты, сравнивая LCAP с другими биопластиками, целлюлозой и обычным полиэтиленом высокой плотности HDPE.
Биоразлагаемые пластики практически полностью разложились примерно за 250–330 дней, тогда как целлюлозе потребовалось около 80 дней. Обычный полиэтилен HDPE за время эксперимента практически не показал признаков биологического разложения.
При изучении плёнок с помощью электронной микроскопии учёные обнаружили отверстия, размеры которых примерно соответствовали отдельным бактериальным клеткам. Это позволило предположить, что бактерии разрушают материал непосредственно перед собой, постепенно прокладывая путь внутрь пластика.
Метагеномный анализ почвенного микробного сообщества выявил ген фермента из семейства эстераз, количество которого резко увеличивалось в присутствии LCAP. Фермент закрепляется на поверхности бактериальной клетки и расщепляет находящийся рядом полимер. Благодаря этому образующиеся небольшие молекулы оказываются непосредственно возле бактерии и могут использоваться ею в качестве питательных веществ.
Неожиданно структура фермента оказалась похожа не только на эстеразы, расщепляющие сложноэфирные связи, но и на β-лактамазы — ферменты, с помощью которых бактерии обезвреживают некоторые антибиотики. Лабораторные эксперименты подтвердили, что найденный фермент действительно способен выполнять обе функции: расщеплять полиэфиры и гидролизовать пенициллин.
Структурное моделирование с помощью AlphaFold3 показало, что активный центр фермента необычно широко открыт. Благодаря этому в него могут попадать разные крупные молекулы — как полимерные цепочки, так и β-лактамные антибиотики. Именно эта особенность стала причиной названия «Пакман».
Открытие может помочь объяснить связь между пластиковым загрязнением и устойчивостью микроорганизмов к антибиотикам. На пластиковом мусоре формируются сообщества бактерий, известные как пластисфера, в которых ранее уже обнаруживали многочисленные гены антибиотикорезистентности. Новый фермент показывает, что способность использовать определённые пластики и способность защищаться от антибиотиков потенциально могут сочетаться в одной молекуле.
При этом результаты не означают, что бактерии получили универсальный механизм уничтожения пластикового мусора. В эксперименте обычный полиэтилен практически не разлагался. Значительно лучше микроорганизмы справлялись с полиэфирами, содержащими химические связи, доступные для ферментативного гидролиза.
Учёным теперь предстоит установить, как возникла двойная функция фермента: развилась ли способность расщеплять пластик у фермента, первоначально защищавшего бактерии от антибиотиков, или активность против β-лактамных препаратов появилась у фермента с другой исходной функцией. Результаты также могут помочь создавать новые полимерные материалы, которые после попадания в окружающую среду будут легче разрушаться микроорганизмами.
Исследование в журнале The ISME Journal.