Исследователи выявили и модифицировали фермент, способный переваривать и расщеплять некоторые из наиболее распространенных загрязняющих окружающую среду видов пластика, что дает надежду на переработку и борьбу с загрязнением.
Загрязнение пластиком — самая большая экологическая проблема в мире , и оптимальное решение этой проблемы до сих пор не найдено. Большая часть пластика изготавливается из нефти или природного газа, которые являются невозобновляемыми ресурсами, добываемыми и перерабатываемыми с использованием энергоемких технологий. Таким образом, само их производство очень разрушительно для хрупких экосистем. Уничтожение пластика (в основном путем сжигания) вызывает загрязнение воздуха, воды и почвы . Около 79 процентов пластика, произведенного за последние 70 лет, было выброшено либо на свалки, либо в окружающую среду, в то время как только около девяти процентов перерабатывается, а остальное сжигается. Этот процесс сжигания подвергает уязвимых работников воздействию токсичных химических веществ, включая канцерогенные вещества. Считается, что в океанах содержится около 51 триллиона микропластиковых частиц, и они постепенно истощают морскую жизнь. Часть микрочастиц пластика разносится ветром, что приводит к загрязнению , и существует реальная вероятность того, что мы можем их вдыхать. В 1960-х годах никто не мог предсказать, что появление и популярность пластика однажды превратятся в бремя: огромные объемы пластиковых отходов будут плавать в наших прекрасных океанах, в воздухе и сбрасываться на наши драгоценные земли.
Пластиковая упаковка представляет собой самую большую угрозу и наиболее пагубное использование пластика. Проблема в том, что пластиковые пакеты повсюду, используются для самых разных целей, и их использование никак не контролируется. Этот вид синтетического пластика не разлагается биологическим путем, а просто скапливается на свалках, способствуя загрязнению окружающей среды . Были предприняты инициативы по «полному запрету пластика», особенно полистирола, используемого в упаковке. Однако это не приводит к желаемым результатам, поскольку пластик по-прежнему повсеместно присутствует в земле, воздухе и воде и его количество постоянно растет. Можно с уверенностью сказать, что пластик не всегда виден невооруженным глазом, но он повсюду! К сожалению, мы не можем решить проблему переработки и утилизации пластиковых материалов.
В исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences USA , исследователи обнаружили известный природный фермент , питающийся пластиком. Это было случайное открытие, сделанное во время изучения структуры фермента, найденного в отходах, предназначенных для переработки, в центре в Японии. Этот фермент, называемый Ideonella sakaiensis 201-F6, способен «поедать» или «питаться» запатентованным пластиком ПЭТ (полиэтилентерефталатом), который наиболее часто используется в миллионах тонн пластиковых бутылок. По сути, фермент позволяет бактериям разлагать пластик, используя его в качестве источника пищи. В настоящее время не существует решений для переработки ПЭТ, и пластиковые бутылки из ПЭТ сохраняются в окружающей среде более сотен лет. Это исследование, проведенное группами из Университета Портсмута и Национальной лаборатории возобновляемой энергии Министерства энергетики США (NREL), вселяет огромную надежду.
Первоначальная цель заключалась в определении трехмерной кристаллической структуры этого природного фермента (называемого ПЭТазой) и использовании этой информации для понимания того, как именно работает этот фермент. Для выяснения структуры и наблюдения за отдельными атомами использовался интенсивный пучок рентгеновских лучей, в 10 миллиардов раз ярче Солнца. Такие мощные пучки позволили понять внутреннюю работу фермента и предоставили правильные схемы для создания более быстрых и эффективных ферментов. Было обнаружено, что ПЭТаза очень похожа на другой фермент, называемый кутиназой, за исключением того, что ПЭТаза имеет особую особенность и более «открытый» активный центр, который, как считается, предназначен для размещения искусственно созданных полимеров (вместо природных). Эти различия сразу же указывали на то, что ПЭТаза может быть более эволюционировавшей, особенно в среде, содержащей ПЭТ, и, следовательно, способна расщеплять ПЭТ. Активный центр ПЭТазы был мутирован, чтобы сделать его более похожим на кутиназу. В результате произошел совершенно неожиданный результат: мутант ПЭТазы смог расщеплять ПЭТ даже лучше, чем природная ПЭТаза. Таким образом, в процессе изучения и попыток улучшить возможности природного фермента исследователи случайно создали новый фермент, который оказался даже лучше природного фермента в расщеплении ПЭТ- пластика . Этот фермент также мог разлагать полиэтиленфурандикарбоксилат, или ПЭФ, биозаменитель ПЭТ-пластика. Это вселило надежду на возможность работы с другими субстратами, такими как ПЭФ (полиэтиленфураноат) или даже ПБС (полибутиленсукцинат). Инструменты для инженерии и эволюции ферментов могут постоянно применяться для дальнейшего улучшения. Исследователи ищут способ улучшить фермент, чтобы его функции можно было интегрировать в мощную крупномасштабную промышленную установку. Процесс инженерии очень похож на ферменты, которые в настоящее время используются в биостиральных моющих средствах или в производстве биотоплива. Технология существует, и поэтому промышленная жизнеспособность должна быть достигнута в ближайшие годы.
Для понимания некоторых аспектов этого исследования необходимы дальнейшие исследования. Во-первых, фермент разбивает большие куски пластика на более мелкие, поэтому он поддерживает переработку пластиковых бутылок, но весь этот пластик необходимо сначала восстановить. Этот «меньший» пластик после извлечения можно было бы использовать, чтобы снова превратить его в пластиковые бутылки. На самом деле фермент не может «искать пластик сам по себе» в окружающей среде. Одним из предлагаемых вариантов может быть внедрение этого фермента в некоторые бактерии, которые могут начать разрушать пластик с большей скоростью, выдерживая при этом высокие температуры. Кроме того, еще предстоит осмыслить долгосрочное воздействие этого фермента.
Влияние такого инновационного решения проблемы пластиковых отходов будет очень велико в глобальном масштабе. Мы пытаемся решить проблему пластика с момента его появления. Были приняты законы, запрещающие использование одноразового пластика, а также повсеместно отдается предпочтение переработанному пластику. Даже такие небольшие шаги, как запрет пластиковых пакетов в супермаркетах, широко освещались в СМИ. Суть в том, что нам нужно действовать быстро, если мы хотим сохранить нашу планету от пластикового загрязнения . Хотя мы должны продолжать внедрять переработку в нашу повседневную жизнь и поощрять к этому наших детей, нам все еще необходимо хорошее долгосрочное решение, которое могло бы сочетаться с нашими собственными усилиями. Это исследование знаменует собой начало решения одной из самых больших проблем, с которыми сталкивается наша планета .
Источник (ы)
Гарри П. и др. 2018. Характеризация и разработка ароматической полиэстеразы, разлагающей пластик. Труды Национальной академии наук. https://doi.org/10.1073/pnas.1718804115
