Блог компании ua-hosting.company. Современный мир полон проблем, многие из которых имеют глобальный характер. Одной из таких проблем является экология. Практически каждый день мы слышим ужасающую статистику загрязнения воздуха, почвы и воды, а также страстные тирады защитников экологии, обвиняющих всех и вся в экологической катастрофе.

Отрицание вины человека, приложившего немало усилий для возвышения своего вида ценой всего вокруг, было бы глупо. Но обмен обвинениями на данном этапе не имеет практического смысла, ведь необходимо думать не о том, кто виноват, а о том, как это исправить.

Кто-то скажет, что «починить» экологию уже нельзя, и это будет правдой, но это не значит, что нужно бездействовать. Ученые из Университета штата Северная Каролина (США) создали генетически модифицированную бактерию, способную расщеплять частицы ПЭТ в соленой воде. Это позволит на шаг приблизиться к решению проблемы микропластика в морях и океанах.

Каким модификациям была подвержена бактерия, в чем их смысл, и насколько полученный организм эффективен в борьбе с пластиком? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Подавляющее большинство (60%) пластиковых отходов в конечном итоге выбрасывается на свалку или накапливается в естественной среде, поскольку современные подходы к переработке приводят к образованию пластика с худшими физическими свойствами. Проще говоря, переработанный пластик обладает худшими свойствами, чем новый, потому стремление его использовать не особо заметно.

Учитывая тот факт, что период полураспада небиоразлагаемого пластика в окружающей среде составляет от 2.3 до более 2500 лет, в настоящее время в окружающей среде наблюдается накопление пластика. И если с большим (буквально) пластиком справиться проще, то малые размеры микропластика (менее 5 мм) вносят кучу дополнительных сложностей. Микропластики (MP от microplastic) очень легко перемещаются между водной, наземной и атмосферной средой. Считается, что большинство MP попадают в морскую воду, где они могут накапливаться на поверхности воды, опускаться на дно или попадать в организм морских организмов.

Все больше данных демонстрирует, что MP присутствуют не только в дикой природе, но также могут быть обнаружены в кровотоке человека, плаценте в кишечнике и тканях легких, потенциально влияя на здоровье человека.

Обычные методы переработки не работают для MP, потому научное сообщество пытается найти альтернативу. Из множества вариантов стратегий механической и химической переработки одной из самых потенциальных является использование модифицированных клеток для деполимеризации микропластика и переработки этих мономеров в новые полимеры или продукты с добавленной стоимостью. Преимущество инженерных клеток заключается в том, что они работают при температуре окружающей среды, просты в изготовлении и выполняют химические процессы с высокой селективностью.

Хотя биологическая «переработка» фрагментов полимерного происхождения происходит относительно быстро (что позволяет синтезировать полимеры, такие как полигидроксиалканоат, или неполимерные продукты с добавленной стоимостью, такие как ванилин или бетакетоадипат), этапом, ограничивающим скорость, в таком подходе является деполимеризация пластмасс до метаболизируемых фрагментов. Это связано с тем, что большинство пластиков, будучи синтетическими материалами, не поддаются биоразложению, за исключением биоразлагаемых пластиков, таких как полимолочная кислота. Исключением из этого правила являются полиэстер и нейлон, которые содержат минимально реакционноспособные функциональные группы, имеющие сходство с биотическими соединениями, такими как кутин и белки, и, следовательно, обладают потенциалом биоразложения.

Среди разнообразных пластиков наибольшее внимание в области биоразлагаемости уделяется ПЭТ (полиэфиртерефталат; PET), что связано с его невероятной распространенностью. Несколько ферментов, гидролизующих ПЭТ (PHE от PET hydrolyzing enzyme), были идентифицированы и сконструированы. В частности те, которые обнаружены в растительном компосте (из-за структурного сходства между ПЭТ и лигнином), а также фермент, выделенный из бактерии Ideonella sakaiensis (Is), растущей при переработке ПЭТ-бутылок.

Большинство PHE, идентифицированных из растительного компоста, представляют собой термофильные ферменты, которые изначально термостабильны и высокоактивны при повышенных температурах. Хотя эти термофильные ферменты полезны для деполимеризации ПЭТ, поскольку они стабильны и активны при температуре стеклования ПЭТ, они могут потребовать более высоких затрат энергии в процессе переработки. В отличие от термофильных PHE, IsPETase, выделенный из Is, был идентифицирован как наиболее эффективный фермент для деполимеризации ПЭТ в моно(2-гидроксиэтил)терефталат (MHET от mono(2-hydroxyethyl) terephthalate) в условиях окружающей среды. С последующим гидролизом в MHET другой фермент (IsMHETase, также идентифицированный как Is) может превращать MHET в терефталевую кислоту (TPA от terephthalic acid) и этиленгликоль (EG от ethylene glycol), которые обычно используются в качестве сырья для биологической переработки.

Предыдущие исследования продемонстрировали биологическую деполимеризацию ПЭТ через сам Is или через отображение PHE на поверхности Pichia Pastoris или Escherichia coli UT5600. Было показано, что модифицированная бактерия Pseudomonas putida KT2440, которая может использовать исходные сигналы секреции Is на IsPETase и IsMHETase, конвертирует бис(2-гидроксиэтил)терефталат (BHET от bis(2-hydroxyethyl) terephthalate), основной продукт хемокаталитического гликолиза ПЭТ, в β-кетоадипиновую кислоту.

Ключевым ограничением этих четырех организмов является то, что их рост подавляется высокими концентрациями соли, которая присутствует в микропластиках, полученных из океана, учитывая, что морская вода обычно содержит около 3.5% (масс./об.) растворенных солей. Следовательно, для промывки потребуется большое количество пресной воды, что неэффективно и невыгодно. Примечательно, что бактерия Vibrio natriegens (Vn) является умеренным галофилом и хорошо растет при концентрации соли до 4.0% (мас./об.). Это также самый быстрорастущий из известных в настоящее время микробов: время удвоения при оптимальных условиях составляет всего 10 минут.

Кроме того, Vn исследовался как основа для приложений синтетической биологии. В недавнем исследовании индуцированные солью промоторы были идентифицированы в Vn посредством анализа транскриптома. Это открытие сделало Vn потенциальной платформой для устранения загрязнителей морской среды, включая ПЭТ. Однако в этом исследовании для деградации ПЭТ требовался лизис клеток из-за отсутствия сигнального пептида секреции для эффективной секреции IsPETase.

Ученые решили проверить гипотезу о том, что Vn можно сконструировать так, чтобы он стал биопластивным организмом для восстановления микропластика в условиях высокого содержания соли без нарушения целостности клеток.