Инновационный фермент ускоряет переработку ПЭТ-бутылок и смешанных волокон при умеренных температурах

Группа под руководством профессора Акихико Накамуры из Научно-исследовательского института зелёных наук и технологий Университета Сидзуока совместно с Kirin Holdings Co., Ltd., Институтом молекулярных наук и Университетом Осаки разработала новую ПЭТ-гидролазу, названную PET2-21M. Этот фермент демонстрирует значительно более высокую эффективность при деполимеризации полиэтилентерефталата (ПЭТ) бутылочного качества, одного из самых распространённых пластиков в мире, при относительно низких энергозатратах.

Преодоление традиционных ограничений переработки

Традиционная механическая переработка ПЭТ часто приводит к снижению качества материала и особенно неэффективна для смесовых текстильных материалов, таких как ПЭТ/хлопок и ПЭТ/полиуретан (ПУ). Химическая переработка обеспечивает высокую чистоту продукции, но обычно требует жёстких условий и использования опасных реагентов. Напротив, ферментативная переработка представляет собой более экологичное решение, работающее в более мягких условиях, в водной среде, и позволяющее извлекать исходные мономеры для повторного использования.

Разработка семейства ферментов PET2

Исследователи улучшили природный фермент PET2, комбинируя случайный и направленный мутагенез, добавляя полезные мутации и структурные модификации, вдохновлённые HotPETase. Полученный вариант, PET2-14M-6Hot, продемонстрировал высокую активность в отношении сложных смешанных волокон. Дальнейшая оптимизация привела к появлению PET2-21M, эффективность которого в 28,6 раза превышала эффективность исходного PET2 в первоначальных испытаниях.

Высокая эффективность при умеренных температурах

В экспериментах с реактором объёмом 300 мл, масштабируемым в реакторе, PET2-21M разложил 95% порошка коммерческого ПЭТ бутылочного качества (20 г/л) в течение 24 часов при 60°C, в то время как широко изученному эталонному ферменту LCC-ICCG для достижения аналогичной эффективности требовалось 72°C. Даже при уменьшении нагрузки фермента вдвое эффективность разложения PET2-21M сохранялась на уровне около 50%, что почти вдвое превышает эффективность LCC-ICCG в тех же условиях.

Что касается переработки текстильных отходов, PET2-14M-6Hot превзошел LCC-ICCG в разложении волокон ПЭТ, смесей ПЭТ/хлопка (65/35 мас.%) и текстиля ПЭТ/ПУ (85/15 мас.%), показав особенно сильную активность при более низких температурах, когда смеси ПУ трудно поддаются обработке.

Масштабируемое производство

Оба белка PET2-21M и PET2-14M-6Hot были успешно произведены в больших масштабах с использованием дрожжей Komagataella phaffii, достигнув высоких выходов экспрессии без проблем, связанных с гликозилированием, что демонстрирует их готовность к потенциальному промышленному применению.

Влияние и перспективы на будущее

Эти разработанные ферменты открывают путь к энергоэффективной, экономичной и устойчивой переработке ПЭТ в промышленных масштабах, особенно для ранее сложных текстильных смесей. Дальнейшие исследования направлены на дальнейшее повышение эффективности при ещё более низких температурах реакции и расширение применимости к более сложным полимерным отходам, ускоряя переход к циклической экономике производства пластика.

Источник: Американское химическое общество (ACS) по устойчивой химии и инжинирингу (DOI: 10.1021/acssuschemeng.5c01602)