Как бактерии помогают заменить обычный пластик экологичным аналогом

Пластик может быть полезным, но его производство и утилизация — большая проблема
Современное производство пластика основано на ископаемом топливе, что делает нас зависимыми от него. А сами пластиковые изделия не разлагаются естественным образом, распадаясь лишь на всё более мелкие частицы. Однако наука постепенно приближается к решению этой проблемы.

Как бактерии помогают бороться с пластиковым загрязнением?

Учёные обнаружили микроорганизмы, способные перерабатывать некоторые виды пластика, а современные биотехнологии позволяют разрабатывать специальные ферменты для его разложения.

Но на этой неделе исследователи из Южной Кореи сделали шаг вперёд: они создали штамм бактерий, способный производить биополимер из глюкозы.

Как это работает?

Основа новой технологии — процесс, при котором бактерии в условиях недостатка питательных веществ синтезируют полигидроксиалканоаты (ПГА) — естественные полимеры. В нормальных условиях они служат запасами энергии, но теперь их можно использовать для создания биоразлагаемого пластика.

Уникальность этого метода в том, что ферменты, участвующие в синтезе ПГА, не слишком разборчивы. Они могут соединять различные молекулы, если те способны образовывать сложноэфирные связи и прикрепляться к коферменту А. Это позволяет включать в полимер самые разные вещества, в том числе аминокислоты.

Эксперименты с ферментами

Учёные начали с фермента бактерий Clostridium, способного соединять разные молекулы с коферментом А. Затем они модифицировали фермент Pseudomonas, чтобы он мог соединять аминокислоты в цепочку.

В лабораторных условиях эта система сработала, но в живых клетках возникли сложности: один из ферментов оказался токсичным для кишечной палочки, и её рост замедлялся.

Решение нашли с помощью генной инженерии — был выведен штамм кишечной палочки, устойчивый к токсичному белку.

В результате бактерии начали производить новый полимер, в составе которого были аминокислоты. Добавляя определённые аминокислоты в среду, можно изменять состав получаемого материала.

Как повысить эффективность производства?

Первоначально выход полимера был небольшим. Учёные решили, что если бактерии сами будут синтезировать необходимые вещества, процесс пойдёт быстрее. Они добавили в клетки дополнительные гены для выработки лизина, и количество полимера увеличилось.

Дальше они удалили ген, отвечающий за производство молочной кислоты — одного из побочных продуктов метаболизма. Это снизило её содержание в полимере, сделав материал более чистым.

Кроме того, модифицируя ферменты, можно направлять процесс синтеза в нужную сторону — например, увеличивать содержание определённых аминокислот. Таким образом, можно регулировать свойства получаемого пластика.

Будущее биопластика

Разработанная система обладает огромным потенциалом. Она позволяет создавать широкий спектр полимеров с разными свойствами, причём полученный материал почти наверняка будет биоразлагаемым.

Однако остаются и проблемы.

• Во-первых, процесс не даёт полного контроля над составом полимера — ферменты могут случайно включать в него ненужные вещества.
• Во-вторых, очистка готового материала от остатков бактерий и примесей — сложная задача. В-третьих, биосинтез пока медленнее традиционного промышленного производства пластика.

Несмотря на это, новое исследование показывает, что биотехнологии могут дать нам альтернативу традиционным пластмассам, что поможет уменьшить вред окружающей среде.