Хотя коронавирус временно заслонил от нас другие научные задачи, эти задачи никуда не делись. Например, никуда не делся пластик, о котором мы ещё так недавно регулярно слышали – что его в мире становится всё больше и что он представляет собой серьёзную экологическую проблему.
Нельзя сказать, что у «пластиковой проблемы» нет решений – пластик можно, например, использовать повторно, после каких-то специальных технологических манипуляций. Но если взять очень и очень популярный пластик под названием полиэтилентерефталат (ПЭТ) (из него делают, среди прочего, бутылки для разных напитков), то после переработки он меняет свойства, так что теперь его не поиспользуешь, как раньше.
Впрочем, даже если его и используют вторично, это спасет лишь на время: как пишет портал Science, из использованного ПЭТ делают, к примеру, искусственные ковровые покрытия, которые потом или всё равно выбрасывают, или же сжигают, что опять же небезопасно в смысле загрязнения среды.
Наилучшим выходом было бы химическое расщепление ПЭТ на составные части, которые потом можно снова запустить в химический синтез. С такой работой лучше всего справились бы ферменты, и такие пластмассоразлагающие ферменты обычно ищут у бактерий. В 2012 году сотрудники Университета Осаки обнаружили у микробов, живущих в компостной куче, фермент LLC, который расщеплял ПЭТ на терефталат и этиленгликоль. Фермент LLC относится к семейству кутиназ, которые разлагают кутин – разновидность растительного воска, защищающего поверхность листьев и молодых побегов. Химические связи в ПЭТ близки по структуре химическим связям молекул, образующих кутин, и вот бактериальный фермент LLC оказался способен разрушать и пластик тоже.
Однако фермент, во-первых, работал медленно, а во-вторых, чтобы пластик лучше расщеплялся, его надо размягчить, то есть нагреть, а фермент при нагревании быстро разрушался сам. И тогда было решено белок LLC усовершенствовать. Как и любой белок, LLC состоит из аминокислот, последовательность которых определяет пространственную структуру всей молекулы, её стабильность при тех или иных условиях; кроме того, есть аминокислоты, которые непосредственно связывают то, что нужно расщепить, и ускоряют это расщепление. Исследователи из французского Национального центра научных исследований нашли в структуре фермента аминокислоты, от которых зависит сама реакция и от которых зависит стабильность фермента. Заменив эти аминокислоты на другие, можно добиться большей эффективности фермента и большей его устойчивости.
В статье в Nature описано, какие мутации вносили в ген LLC, который потом вводили в бактерий, чтобы те насинтезировали модифицированный белок. Мутантные молекулы проверяли на эффективность и термостабильность, после чего выбирали наиболее удачный вариант и пытались усовершенствовать его ещё сильнее. В результате получился фермент, который расщеплял ПЭТ в 10000 эффективнее, чем исходный белок, и который к тому же мог работать при 72 °С, когда ПЭТ уже полностью расплавлен. Продукты расщепления – то есть терефталат и этиленгликоль – можно было снова соединить и получить обратно полиэтилентерефталат, который по свойствам был таким же, как и обычный ПЭТ.
По словам авторов работы, преимущество модифицированного фермента в том, что он расщепляет только конкретную химическую связь в ПЭТ и может работать с разными типами ПЭТ, не обращая внимания на красители и примеси других пластмасс – так что получившиеся после расщепления вещества легко использовать снова для повторного синтеза. В перспективе ещё предстоит выяснить, насколько экономически оправдан будет такой способ переработки пластика (точнее, только одного его типа – полиэтилентерефталата). Если затраты на него окажутся не очень большими, то, возможно, мы сможет наконец что-то сделать с тоннами наших пластмассовых отходов.
Автор: Кирилл Стасевич