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.

Фото: Freepik by Racool_studio, https://creativecommons.org/public-domain/pdm/

Пластиковые бутылки

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.

Уточнения

Пластма́сса (пласти́ческая ма́сса, пластик) — это широкий спектр синтетических или полусинтетических материалов, которые используют полимеры в качестве основного ингредиента.