Ученые создали фермент, способный уничтожать пластик, а особенно хорошо он справляется с пластиковыми бутылками. Это достижение позволит справиться с огромным количеством пластика, загрязняющего планету. О результатах они рассказали в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .
В 2016 году на свалке в Японии были обнаружены бактерии, способные поглощать пластик. На процесс, обычно занимающий столетия, у них уходили считанные дни. Теперь же ученым удалось определить структуру фермента, который они для этого используют, и синтезировать его. Когда команда протестировала фермент, оказалось, что он стал справляться с полиэтилентерефталатом (ПЭТ), из которого делают бутылки для напитков, еще лучше оригинала.
«Оказалось, что мы улучшили фермент. Мы были немного шокированы, — говорит профессор Джон Макгихан из Портсмутского университета в Великобритании. — Это настоящее открытие».
При этом исследователи надеются, что им удастся улучшить его, заставив работать еще быстрее.
«Мы надеемся использовать этот фермент, чтобы разложить пластик на его составляющие, а затем снова использовать их для производства пластика. Это значит, что не нужно будет добывать еще больше нефти и что можно будет уменьшить количество пластика в окружающей среде», — отмечает Макгихан.
Каждую минуту в мире продается около миллиона пластиковых бутылок. Переработке подвергаются лишь 14% из них. Многие из оставшихся попадают в океаны, загрязняя даже самые удаленные из уголки, нанося вред морским обитателям и — потенциально — потребителям морепродуктов.
«Пластик чрезвычайно устойчив к разложению», — поясняет Макгихан.
Сегодня из бутылок, попавших на переработку, изготавливаются непрозрачные волокна, которые становятся материалом для одежды и ковров. Но благодаря использованию фермента из них можно будет делать новые пластиковые бутылки, что избавит от необходимости производить больше пластика.
«Нам приходится жить с тем фактом, что нефть стоит мало, поэтому и производство ПЭТ обходится дешево, — отмечает Макгихан. —
Производителям легче создавать больше пластика, чем пытаться его перерабатывать».
Для начала исследователи определили структуру фермента, который производят бактерии из Японии. Для этого они использовали синхротрон Diamond, способный производить мощное рентгеновское излучение, которое позволяет разглядеть структуру отдельных атомов. Фермент оказался похожим на тот, что бактерии обычно используют для разрушения природного полимера кутина — воска, которым часто покрыта кожица плодов. Манипуляции с ферментом в процессе изучения его работы случайно привели к улучшению его способности разлагать пластик.
«Это скромное улучшение, на 20%, но не в этом дело, — рассказывает Макгихан. — Произошедшее показывает, что фермент еще не оптимизирован. Это дает нам возможность использовать все технологии, которые годами применялись в разработке других ферментов, и создать фермент, работающий сверхбыстро».
Одно из возможных улучшений — пересадить фермент бактериям-экстремофилам, способных выдерживать температуру выше 70°С — при ней плавится ПЭТ, а в расплавленном виде он разлагается в 10-100 раз быстрее. Также способствовать разложению пластика могут и некоторые грибки, но бактерии легче использовать в промышленных целях.
Для уничтожения других видов пластика можно будет использовать бактерий, которые в настоящее время эволюционируют в окружающей среде, уверен Макгихан. Хотя большая часть пластика находится в океане, исследователи рассчитывают, что можно будет доставить поедающие пластик бактерии к этим скоплениям мусора.
«Я думаю, это очень интересная работа, которая показывает, что есть потенциал для использования ферментов в борьбе с растущей проблемой отходов, — считает химик Оливер Джонс. —
Ферменты нетоксичны, биоразлагаемы и их можно получить с помощью микроорганизмов в больших количествах».
Берточини, научный сотрудник Испанского института биомедицины и биотехнологий, заинтересовалась феноменом и провела вместе с биохимиками из Кембриджа научный эксперимент. Были взяты около сотни личинок, которые поместили в обыкновенный пластиковый пакет, купленный в британском магазине, и стали ждать появления дырок. Как выяснилось, сотня гусениц способна расправиться с 92 мг полиэтилена за 12 часов.
МОСКВА, 11 мар - РИА Новости. Японские молекулярные биологи открыли необычную бактерию, которая умеет "есть" лавсан и другие виды пластика, и извлекли из них ферменты, отвечающие за разложение этих полимеров, говорится в статье, опубликованной в журнале Science .
Каждый год на свалки Земли попадает примерно 300 миллионов тонн пластикового мусора, большая часть которого не разлагается почвенными микробами и остается в почти нетронутом виде на протяжении десятков и даже сотен лет. Многие частицы пластика оказываются в водах мирового океана, где они попадают в желудки рыб и птиц и часто становятся причиной их гибели.
Кендзи Миямото (Kenji Miyamoto) из университета Кейо в Йокогаме (Япония) и его коллеги нашли способ уничтожить весомую часть этой "мусорной кучи", изучая то, как различные сообщества бактерий реагируют на присутствие полиэтилентерфталата (PET). Этот термопластик, также известный как лавсан, применяется при изготовлении пластиковых бутылок, одежды, кинопленки и прочих носителей информации. На долю PET приходится шестая часть всего пластикового мусора на Земле.
В ходе исследований ученые совершили несколько походов на природу, где им удалось найти и извлечь более 250 фрагментов пластикового мусора, часть которых несла на себе следы частичного разложения. Биологи проанализировали геномы бактерий, живших в почве рядом с этими частицами пластика, и попытались выделить среди них те, которые способны питаться PET. Для этого культуры микробов высадили на тонкие пленки из полимера.
Ученым улыбнулась удача - они обнаружили, что обычная почвенная бактерия Ideonella sakaiensis способна жить на стопроцентной "диете" из лавсана и разлагать его молекулы на воду и углекислый газ.
Ученые заинтересовались, как эта "пластикоядная" бактерия разлагает цепочки PET на одиночные звенья и поедает их. Для ответа на этот вопрос биологи проанализировали структуру ДНК микроба и выяснили, что за уничтожение пластика отвечают всего два фермента.
Первый — так называемая ПЭФаза — разлагает длинные звенья полимера на "кирпичики" из одной молекулы этиленгликоля и терефталевой кислоты еще до того, как пластик попадает в бактерию. Второй фермент, МГЭТ-гидролаза, разлагает эти звенья на этиленгликоль и терефталевую кислоту, которые затем используются микробом в его жизнедеятельности.
Процесс разложения пластика протекает достаточно медленно - бактерии "доели" пленку, которую им предложили ученые, только через шесть недель после начала эксперимента. Но учитывая то, что подобный пластиковый мусор "живет" на свалках примерно по 70-100 лет, добавление колоний Ideonella sakaiensis в мусорные кучи может заметно ускорить его разложение. Кроме того, ученые предполагают, что для переработки и уничтожения пластика можно использовать и синтетические версии ферментов.
Группа микробиологов и биохимиков из Китая сделала открытие, чью важность для экологии планеты и всего человечества трудно переоценить. Были найдены бактерии, питающиеся пластиком, и в том числе полиэтиленом. На данный момент это первый просвет в решении проблемы назревающего глобального экологического кризиса.
Открытие было сделано ученными из Бейханского Университета, который находится в Пекине. Однако, как отмечает руководитель научной группы, Джан Янг: "Изначально это не было целенаправленное исследование, мне помог случай". Однажды у себя на кухне, на которой как признается биохимик царит беспорядок, он обратил внимание на полиэтиленовый пакет с просом. Внутри него копошилось множество мелких личинок, а сам пакет стал будто изрешеченными из автомата. Это привело Янга к мысли, что эти гусеницы в состоянии переваривать полиэтилен.
Эти личинки принадлежали известному сельскохозяйственному вредителю, моли Огневка южная амбарная (лат. Plodia interpunctella), которая широко распространена практически по всему свету. В ходе нескольких простых экспериментов удалось выяснить, что гусеницы Plodia interpunctella действительно едят и что более важно переваривают пластиковые продукты. Но оказалось, что заслуга самих личинок в этом весьма посредственна.
Слева: взрослая моль Огневка южная амбарная. Справа: ее личинка. В кишечнике последней и были обнаружены новые бактерии
Настоящие поедатели пластиковых продуктов находились в кишечнике огневки - это были два ранее не известных штамма бактерий. В качестве испытания эти микроорганизмы поместили на полиэтиленовую пленку. Спустя 28 дней образец пленки был рассмотрен под микроскопом, на нем присутствовали заметные признаки повреждений: продолговатые борозды и впадины глубиной до 0,4 мкм. Прочность полиэтилена, как и способность отталкивать воду снизились при этом почти в 2 раза. Еще через месяц масса пленки снизилась немногим более, чем на 10%, а молекулярная масса полимерных связей - на 13%. Другими словами, ученые получили первые веские доказательства существования бактерий, питающихся пластмассами, а также подверженности последних биологическому разложению (биоутилизации).
Главная ценность обнаруженных микроорганизмов заключается в том, что полностью отпадает потребность в какой-либо предварительной обработке пластмасс, и полиэтилена в частности. В данном случае требуется лишь поместить бактерии на пластик и они сами сделают свое дело.
И без того невообразимое количество пластиковых отходов ежегодно возрастает на 100-140 млн тонн. Сами по себе такие отходы практически не разлагаются, следовательно они будут накапливаться до тех пор пока человечество не найдет способа "борьбы" с ними.
Потенциал у открытия китайских ученых просто огромен. Дальнейшая его проработка должна стать предпосылкой к разработке первых способов чистой биоутилизации невероятно стойких и токсичных пластиковых отходов, в чем так сильно нуждается наша планета.
Бутылки из ПЭТ
Matt Montagne / Flickr
Японские биологи нашли новый штамм бактерий, который способен перерабатывать полиэтилентерефталат (ПЭТ) - один из самых распространенных видов пластика. Со статьей можно ознакомиться в журнале Science , кратко ее изложение приводит Американская ассоциация содействия развитию науки.
Авторы собрали несколько сотен образцов почвы и грязи вблизи завода по переработке бутылок из ПЭТ и проанализировали, какие виды бактерий обитают в таких условиях. Среди образцов биологам удалось выделить штамм бактерий Ideonella sakaiensis 201-F6, который оказался способен гидролизовать пластик с помощью специальных ферментов. По словам авторов, эти бактерии способны переработать тонкую (0.2 миллиметра) пленку полиэтилентерефталата за шесть недель при температуре 30°C. Важно отметить, что организмы не только разрушают полимер, но и используют его для получения энергии.
Пленка полиэтилентерефталата, разрушенная бактериями
Бактерии гидролизуют полимер в две стадии. На первой он превращается в низкомолекулярное вещество, моногидроксиэтиловый эфир терефталевой кислоты. За это превращение отвечает фермент, названный учеными ПЭТазой. Затем происходит разложение мономера с помощью следующего фермента, МЭТазы - в результате образуется терефталевая кислота и этиленгликоль, дальнейшие превращения которых хорошо описаны.
Схема метаболизма полиэтилентерефталата
Yoshida et al. / Science, 2016
Авторы отмечают, что ПЭТаза не имеет близких аналогов у родственных бактерий, что может указывать на быструю эволюцию. По словам биологов, это еще раз подтверждает, что различные виды способны очень быстро приспосабливаться к изменениям окружающей среды.
Хотя активность фермента гораздо выше, чем у других аналогов, способных разрушать пластик, он все еще недостаточно эффективен для коммерческого использования. Авторы надеются получить ответ на вопрос, что делает его активнее - это может помочь создать новые, искусственные ферменты, с помощью которых быстрая утилизация бытовых отходов станет возможной.
Владимир Королёв
Серьезность сложившейся ситуации как нельзя лучше передают мусорные пятна в океанах (Большое тихоокеанское мусорное пятно). Разработать новые технологии переработки пластиковых отходов и немного улучшить текущее положение может помочь новый вид бактерий, которые питаются пластмассами.
Открытие было сделано японскими исследователями.
По их словам, микроорганизм интересен в первую очередь наличием способности перерабатывать распространенный тип пластика, известный как PET (пластики на основе полиэтилентерефталата). Непосредственно сам пищеварительный процесс пластика у бактерии происходит медленно, поэтому краткосрочные перспективы открытия пока довольно туманны, но дальнейшие исследования бактерии, которая, к слову получила название Ideonella sakaiensis 201-F6, могут привести к появлению новых безопасных способов утилизации пластика.
Вид пластика, являющийся любимым лакомством Ideonella sakaiensis, – полиэтилентерефталат – характеризуется легкостью, прочностью и способностью удерживать жидкость. Этот материал очень часто используется для изготовления емкостей для жидких продуктов – разнообразные контейнеры и бутылки. Отметим, что только за 2013 год во всем мире было произведено около 56 миллионов тонн пластика PET, из которых переработали только половину.
Свойства, которые делают PET столь привлекательным для различных компаний материалом, - прочность и влагонепроницаемость – также представляют огромную угрозу для окружающей среды. Этот материал имеет очень большой период полураспада, поэтому накапливается в форме свалок на земле и в океане.
Считается, что для полного разложения обычной пластиковой бутылки требуется около 450 лет, и хотя некоторые виды пластмасс разлагаются в океане быстрее, в процессе распада они выделяют вредные химические вещества, что еще больше усугубляет экологическую ситуацию.
Новый вид бактерий, поедающих пластик, был обнаружен путем просеивания 250 образцов PET, собранных на заводах по переработке пластика. Об этом говорится в статье о результатах исследования, опубликованной в журнале Science. Исследовали искали свидетельства распада материала среди образцов и в конце концов обнаружили I. sakaiensis.
Бактерии этого вида выделяют два фермента, расщепляющие это соединение до экологически безопасных веществ – терефталевой кислоты и этиленгликоля. Правда, происходит это не очень быстро. В исследовании говорится, что на полное переваривание небольшого куска пленки из низкокачественного полиэтилентерефталата бактерии понадобилось шесть недель. То есть, на расщепление изделий из более качественного PET потребуется еще больше времени.
Вполне возможно, что в будущем ученые найдут способ, который поможет ускорить этот процесс. В последующей статье, опубликованной в том же Science, профессор биоинженерии Уве Борншеуер пишет, что ученые должны выяснить истоки происхождения этих ферментов, выделяемых бактериями, точнее, не являются ли они проявлением эволюции.
По словам Борншеуера, этот вид пластика существует в природе только 70 лет, и существует вероятность, что ферменты адаптировались к новым реалиям и научились использовать его как источник пищи, «обеспечивающий «преимущество для выживания». Ученый пишет, что эволюция в столь короткие сроки – это большая редкость, хотя подобное уже случалось ранее, и дополнительные исследования могут привести к появлению новых эффективных способов борьбы с пластиком PET.
В интервью The Wall Street Journal Борншеуер отметил, что теоретически эти бактерии могут ускорить распад пластика на свалках.
Подписывайтесь на Квибл в Viber и Telegram , чтобы быть в курсе самых интересных событий.
