Обнаружен новый фермент для радикальной переработки «мусорного» пластика
Ежегодно в мире производится более 400 миллионов тонн пластиковых отходов, подавляющая часть которых попадает на свалки. Другая же часть скапливается в совершенно не предназначенных для этого местах, например, в Тихом океане. Широко известно скопление мусора антропогенного происхождения (по большей части именно пластика) в северной части Тихого океана — Большое тихоокеанское мусорное пятно, площадью до полутора миллионов квадратных километров (в 33 раза больше площади Московской области).
Стратегии биоконверсии (переработки с использованием биологических процессов) пластика стали важными составляющими экономики замкнутого цикла синтетических пластмасс, особенно тех, что имеют химическое сходство с природными соединениями, например полиэфирами.
Новое исследование, опубликованное в журнале PNAS, провела международная команда ученых под руководством профессора Дженнифер Дюбуа (Jennifer DuBois) из Университета штата Монтана (США) и профессора Джона МакГихана (John McGeehan) из Портсмутского университета (Великобритания). Ранее МакГихан уже возглавлял международную группу, которая обнаружила природный фермент, способный расщеплять ПЭТ-пластик.
ПЭТ-пластик используют при производстве одноразовых пластиковых бутылок, одежды, упаковок, автомобильных деталей, медицинских изделий и многих других повседневных вещей. Ранее найденные командой профессора МакГихана ферменты ПЭТаза и МГЭТаза последовательно расщепляют полимер полиэтилентерефталат (ПЭТ) на химические строительные блоки — этиленгликоль (ЭГ) и терефталат (ТФК). Новое исследование продолжает развивать эту идею и описывает фермент для переработки ТФК — терефталатдиоксигеназа (TPADO).
Путь ферментативного превращения терефталата (ТФК или TPA) в протокатехуат (ПКК или PCA). (A) Организация генов, кодирующих необходимые ферменты. (B) Фермент TPADO (оранжевый) использует молекулярный кислород для дигидроксилирования ТФК, а восстанавливающие эквиваленты поставляются редуктазой (желтый). Продукт (DCD) превращается в протокатехуат с помощью Zn зависимой дегидрогеназы (синий). А ферменты для дальнейшей переработки PCA в целом уже известны.
Kincannon W.M., et al., PNAS, 2022
«Хотя ЭГ — химическое вещество, которое можно использовать во многих случаях — например, он входит в состав антифриза, который вы заливаете в свой автомобиль, — ТФК не имеет широкого применения, кроме ПЭТ. При этом большинство бактерий не могут его даже переваривать, — комментирует работу профессор Дюбуа. — Однако команда из Портсмута обнаружила, что фермент из бактерий, потребляющих ПЭТ, распознает ТФК как руку в перчатке (то есть фермент хорошо распознает молекулу ТФК и катализирует ее превращение — прим.ред.). Затем наша группа из Университета штата Монтана продемонстрировала, что этот фермент, называемый TPADO, расщепляет ТФК — и почти только ТФК — с удивительной эффективностью».
Визуализация трехмерной структуры фермента TPADO. Также показан механизм связывания ТФК.
Kincannon W.M., et al., PNAS, 2022
Исследование проводили в рамках консорциума BOTTLE («Биооптимизированные технологии для предотвращения попадания термопластиков на свалки и в окружающую среду»), международного сотрудничества между США и Великобританией. Он объединяет исследователей из самых разных научных областей для решения проблемы переработки пластика и его вторичного использования.
«За последние несколько лет были достигнуты невероятные успехи в разработке ферментов для расщепления ПЭТ-пластика на строительные блоки. Эта работа идет еще дальше и рассматривает первый фермент в каскаде, способный разложить эти строительные блоки на более простые молекулы, которые затем могут использовать бактерии для создания экологически чистых химикатов и материалов, необходимых для производства ценных продуктов из пластиковых отходов», — подытожил МакГихан.