Природа сама подсказывает решение: животные способны расщеплять биопластики

Полигидроксиалканоаты (PHA) — это природные полиэфиры, которые бактерии и археи синтезируют в качестве резервного источника углерода и энергии. Эти соединения накапливаются внутри клеток в виде гранул и могут составлять до 90 % сухого веса микроорганизма. До недавнего времени считалось, что только бактерии, грибы и некоторые простейшие обладают способностью к их полному расщеплению с помощью специальных ферментов — полигидроксиалканоат‑деполимераз (PHAD).

Однако недавнее исследование, опубликованое в журнале Nature.com показало, что этот механизм доступен и более сложным организмам. Учёные обнаружили фермент PHAD у морского червя Olavius algarvensis. Этот вид является безротым олигохетом и не имеет кишечника; он получает питание, переваривая своих бактериальных симбионтов. Выяснилось, что у доминирующего симбионта эти полимеры составляют до 42 % углеродных запасов клетки, что делает их крайне ценным ресурсом для хозяина.

Механизм переработки углерода

Экспериментально подтверждено, что фермент червя успешно расщепляет полимеры на мономеры гидроксиалканоатов, которые затем вступают в метаболические пути организма. С помощью методов визуализации было установлено, что экспрессия этого фермента происходит в эпидермисе червя — именно в том месте, где происходит процесс переваривания симбионтов.

Исследователи обнаружили аналоги таких ферментов у более чем 66 видов животных, принадлежащих к 9 различным типам (phyla), а также у 19 видов простейших. Это позволяет предположить, что последний общий предок многоклеточных животных (Metazoa) уже обладал ферментами PHAD, способными расщеплять микробные полимеры.

Анализ показал интересную деталь в эволюции этого процесса:

• Симбионты используют внутриклеточные ферменты для контроля накопления полимеров.
• Животные используют внеклеточные ферменты для их расщепления.
• В процессе эволюции симбионты потеряли способность метаболизировать продукты расщепления PHA, тем самым «отдавая» ценный углеродный ресурс исключительно хозяину.

Экологическое и практическое значение

Открытие расширяет понимание того, как углерод перемещается по экосистемам. Поскольку микроорганизмы, производящие PHA, распространены повсеместно — от почв до морских отложений, — животные и простейшие могут использовать их как важный пищевой ресурс.

В контексте современной экологической ситуации это открытие имеет и прикладное значение. Полигидроксиалканоаты являются основой для производства биоразлагаемого пластика. Учитывая, что многие животные (например, дождевые черви) уже способны частично расщеплять биопластики, обнаружение у них специфических ферментов PHAD даёт надежду на создание более эффективных стратегий по утилизации пластикового загрязнения в почвах и океанах.

Как отмечают авторы исследования, понимание этих процессов критически важно для разработки методов борьбы с пластиковым загрязнением в природных экосистемах, так как текущие исследования в основном сосредоточены на промышленных пластиках, которые структурно отличаются от природных полимеров.