Специалисты выявили бактериальный фермент, названный «ферментом Пакмана», который способствует усвоению биопластика микроорганизмами примерно за 250 дней. Практически все виды биопластика почти полностью распадаются в почве с высоким содержанием бактерий за этот период.
Ирина Петрова
Переработанные пластиковые гранулы. Иллюстративное фото. Источник: Getty Images
Научная группа открыла новый фермент бактериального происхождения, ускоряющий разложение полиэфиров и биопластиков. Это открытие может стать полезным инструментом для снижения загрязнения среды токсичным микропластиком.
В экспериментах выяснилось, что биопластики практически полностью деградируют в течение года — ориентировочно за 250–330 дней, если поместить их в образцы почвы с бактериями.
Пластиковые отходы, накапливающиеся в мировом океане, создают серьезную опасность для морской фауны. Причина в том, что применяемые сегодня синтетические полимеры крайне медленно разлагаются микроорганизмами. Без участия микроорганизмов такие пластики распадаются на микро- и наночастицы.
Как отметили исследователи, микробы — включая бактерии, дрожжи и грибы — способны развиваться на скоплениях пластиковых отходов. Они могут применять пластик как источник питания и формировать биопленки — особую среду обитания микроорганизмов, которую ученые назвали «пластисферой».
В пластике, подвергшемся воздействию микроорганизмов, возникают отверстия
Чтобы определить микроорганизмы и ферменты, разрушающие пластик, два микробиолога — Дэвид Шлехек, профессор микробной экологии и лимнологической микробиологии, и его научный сотрудник из Констанцского университета — изучили процесс полной микробной деградации биопластика.
В лабораторных условиях они отслеживали разложение пластика, фиксируя выделение CO2 — показатель микробного дыхания — на протяжении года. Перед измерениями исследователи соединили порошок биопластика, в частности длинноцепочечные алифатические полиэфиры (LCAP), с лесной почвой, где микробы перерабатывают природные полимеры вроде целлюлозы. Образцы оставляли без вмешательства в течение года.
«Мы закопали небольшие фрагменты биопластиковой пленки LCAP в верхний слой гумуса в лесу на территории ботанического сада университета на глубину около десяти сантиметров», — сообщил Гарри Лернер.
В пластиковых листах, извлеченных из образцов почвы, исследователи обнаружили отверстия. Согласно результатам работы, размер этих отверстий совпадал с размером и формой отдельной бактериальной клетки.
При микроскопическом изучении выяснилось, что бактерии способны вне клеток расщеплять пластик на более мелкие частицы — мономеры и олигомеры — при помощи ферментов. По словам исследователей, эти водорастворимые частицы могут поглощаться бактериями для роста.
«Мы предположили, что бактерии покрыты деполимеразами пластика, прикрепленными к их клеточной поверхности. Это дает им возможность проникать в материал и внедряться в пленку, оставляя после себя микроскопические отверстия именно такого типа», — пояснили Лернер и Шлехек.
Анализ ДНК выявил наличие эстеразы в почвенной смеси
Затем они изучили состав и генетические характеристики микробного сообщества в образцах почвы, где происходило разложение пластика, чтобы определить фермент. Из обработанных и необработанных образцов почвы была выделена суммарная ДНК.
В лесных образцах с LCAP ученые обнаружили значительное количество ферментов эстераз. Этот фермент также обладает сигнальной последовательностью для секреции и липидным якорем, связанным с мембраной. Согласно гипотезе исследователей, сигнальная последовательность для секреции способствует выводу фермента из клетки, а липидный якорь удерживает его вблизи клеточной поверхности.
Структурный анализ показал, что активный центр эстеразы образует широко открытую полость, способную вмещать крупные полимерные цепи. Именно эта особенность строения, напоминающая раскрытую пасть персонажа известной игры, дала ферменту его неофициальное название.
По словам исследователей, сигнальная последовательность обеспечивает вывод фермента за пределы клетки, а липидный якорь удерживает его в непосредственной близости от клеточной поверхности. Такая конфигурация позволяет бактерии не тратить энергию на диффузию фермента в окружающую среду, а расщеплять полимер прямо в точке контакта с материалом. Образующиеся водорастворимые мономеры и олигомеры затем поглощаются клеткой и используются для роста.
Благодаря своей структуре фермент, «поедающий пластик», получил наименование «фермент Пакмана». Структурные исследования показали широко открытые полости, способные вмещать крупные пластиковые полимеры.
«Из-за формы фермента, а также из-за его свойств мы называем его “ферментом Пакмана”», — добавил Шлехек. Результаты исследования опубликованы в журнале ISME.
«Фермент Пакмана» и границы его возможностей
Следует подчеркнуть, что обнаруженный фермент не является универсальным решением проблемы пластикового загрязнения. Речь идет о биопластиках — в частности, о длинноцепочечных алифатических полиэфирах, которые изначально создавались как материалы, способные к биологическому разложению.
Для синтетических полимеров, составляющих основную массу отходов в мировом океане, таких как полиэтилен или полипропилен, подобные ферменты пока не продемонстрировали сопоставимой эффективности. Разложение биопластика за 250–330 дней в богатой бактериями почве — результат, важный для обращения с органическими отходами и компостирования, но он не отменяет необходимости сокращать производство обычных пластиков.
Тем не менее, открытие имеет прямое отношение к проблеме микропластика. Даже биопластики при попадании в окружающую среду без участия микроорганизмов распадаются на микро- и наночастицы, которые затем накапливаются в экосистемах.
Ускорение микробной деградации означает, что значительная часть материала будет преобразована в углекислый газ и биомассу, а не превратится в стойкие микрочастицы. В экспериментах выделение CO2 служило количественным индикатором микробного дыхания, и его динамика подтвердила, что бактериальное сообщество лесной почвы активно использует полиэфиры как источник углерода. Это принципиально отличает процесс от простого физического разрушения материала.
Отдельный интерес представляет концепция «пластисферы» — сообщества микроорганизмов, включая бактерии, дрожжи и грибы, формирующегося на поверхности пластиковых отходов. Микробы используют полимер как субстрат и создают на нем биопленки, внутри которых складываются особые условия: локально изменяются pH, концентрация питательных веществ и продуктов обмена.
Именно в таких биопленках, вероятно, и происходит наиболее интенсивное ферментативное расщепление. Изучение пластисферы открывает путь к целенаправленному поиску микроорганизмов и ферментов с нужными свойствами, а также к разработке биоремедиационных технологий для загрязненных территорий.
Практическое применение открытия
Практическое применение открытия потребует ответов на ряд вопросов. Необходимо оценить, насколько эффективно фермент работает в реальных условиях — при низких температурах, в морской воде, при дефиците кислорода, — а не только в лабораторных образцах лесной почвы.
Важно также понять, можно ли масштабировать процесс: выделять фермент, создавать на его основе препараты или инженерить штаммы бактерий с усиленной деполимеразной активностью. Кроме того, остается открытым вопрос о судьбе продуктов разложения и о возможном влиянии интродуцированных микроорганизмов на естественные экосистемы. Ответы на эти вопросы определят, станет ли «фермент Пакмана» рабочим инструментом в системе обращения с отходами или останется важным, но узким научным результатом.
Публикация в журнале ISME подчеркивает междисциплинарный характер работы, объединившей микробиологию, биохимию и структурную биологию. Тот факт, что фермент был обнаружен не путем скрининга чистых культур, а через анализ суммарной ДНК почвенного сообщества, указывает на перспективность метагеномных подходов.
Природные микробные сообщества содержат огромный нереализованный потенциал ферментов, и целенаправленный поиск среди них может дать новые инструменты для разложения полимеров. Однако исследователи аккуратно оговаривают границы своих выводов: речь идет о конкретном типе биопластика и конкретных почвенных условиях, а не о решении проблемы пластикового загрязнения в целом.
Научная ценность работы состоит в том, что она показывает механизм, благодаря которому микробы способны осваивать синтетические материалы, и предлагает конкретную молекулярную мишень для дальнейших разработок.
Кстати, ранее мы писали, что в Китае создан «Живой пластик», который самоликвидируется по команде без вредных остатков за шесть дней.
А ученые Российского экономического университета имени Г. В. Плеханова создали и запатентовали состав, который добавляется в полиэтилен и полипропилен и запускает процесс их распада после окончания срока службы изделий.
