Понимание технологии переработки ферментов: могут ли суперферменты, поедающие пластик, решить проблему пластикового кризиса?

Ежегодно около 150 миллионов тонн пластика либо выбрасываются на свалки, либо выбрасываются в окружающую среду, причем более 8 миллионов тонн попадают в океаны через реки. Большая часть этого пластика не разлагается полностью, а распадается на микропластик. Этот микропластик не только находится в морской воде, но и попадает в организм морских обитателей и даже в пищеварительную систему человека. Загрязнение пластиком стало одной из самых серьезных экологических проблем, с которыми сталкивается человечество, и исследователи неустанно работают над поиском решений этой насущной проблемы.

Обзор ферментной инженерии

Вступая в 21 век, человечество продвинулось от фундаментального понимания жизни 20 века, перейдя в постгеномную эру. Эта эра фокусируется на изучении сути явлений жизни путем изучения структуры и функции геномов и их белковых продуктов, интегрируя все биологические знания для создания единой структуры общей биологии.

Инженерия ферментов, важнейший компонент биотехнологии, включает использование ферментов в качестве катализаторов в определенных биореакторах для облегчения преобразования материалов. Ее применение охватывает различные области, включая промышленность, медицину, сельское хозяйство, химический анализ, защиту окружающей среды, развитие энергетики и теоретические науки о жизни.

В борьбе с загрязнением ферментная технология оказалась жизненно важной. Пероксидаза хрена катализирует окисление токсичных ароматических соединений в присутствии перекиси водорода, образуя нерастворимые осадки. Лигнинпероксидаза расщепляет ароматические соединения и окисляет полициклические ароматические углеводороды. Лакказа удаляет токсичные фенолы, а микробные липазы используются для биоремедиации нефтяных разливов и отходов, содержащих липиды.

Тем временем отрасль ферментной инженерии переживает быстрый рост. В 1998 году мировые продажи промышленных ферментов достигли 1,6 млрд долларов, а прогнозы указывают на то, что к 2008 году продажи вырастут до 3 млрд долларов.

Рассвет переработки ПЭТ на основе ферментов: двойная деградация почвенными бактериями

Пластики состоят из длинноцепочечных полимеров, в первую очередь подразделяемых на термопластики и термореактивные пластики. Термопластики размягчаются при высоких температурах и затвердевают при охлаждении, что делает их пригодными для вторичной переработки, хотя их качество ухудшается при переработке. Термореактивные пластики после нагревания и отверждения практически невозможно переработать.

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) — широко используемый термопластик, изготавливаемый из терефталевой кислоты (ТФК) и этиленгликоля (ЭГ), полученных из нефти. Мировое производство ПЭТ увеличилось примерно с 58 миллионов тонн в 2021 году до 62 миллионов тонн в 2023 году, а к 2025 году, по прогнозам, достигнет 72 миллионов тонн. Универсальность ПЭТ позволяет производить из него прозрачные, непрозрачные или белые материалы в зависимости от его кристаллической структуры и размера частиц. Он обычно используется для производства волокон для одежды и контейнеров, таких как бутылки для воды, а также может быть отформован в различные упаковочные изделия, такие как блистерная упаковка.

Разработка эффективных технологий деполимеризации ПЭТ является важнейшей вехой для достижения истинной переработки пластика и улучшения защиты окружающей среды. Биодеградация ПЭТ привлекла значительное внимание из-за наличия в природе различных эстераз, которые могут расщеплять эфиры на кислоты и спирты.

В 2012 году исследователи из Университета Осаки в Японии обнаружили в компосте фермент, разрушающий ПЭТ, известный как кутиназа листового компоста (LLC). Хотя LLC может разрушать химические связи ПЭТ, он нестабилен при 65°C и разлагается в течение нескольких дней, что ограничивает его промышленное применение. Эффективная деполимеризация ПЭТ требует, чтобы ферменты оставались стабильными при высоких температурах.

В 2016 году Йошида и его коллеги идентифицировали почвенную бактерию Ideonella sakaiensis 201-F6 из загрязненного ПЭТ осадка вблизи завода по переработке пластика в Японии. I. sakaiensis — это грамотрицательная аэробная палочковидная бактерия, способная использовать ПЭТ в качестве основного источника углерода и энергии. Она использует двойную ферментную систему для разложения ПЭТ: ПЭТаза гидролизует ПЭТ в BHET, MHET и TPA, а затем MHETаза далее преобразует MHET в TPA и EG, достигая полной деградации ПЭТ.

Последние достижения в области ферментативной деградации ПЭТ

Усиленная деградация с мутантами PETase

Недавние исследования показали, что мутанты PETase демонстрируют значительно улучшенные возможности деградации PET. PETase, структурно похожая на кутиназу, которая расщепляет кутин, как было показано с помощью анализа кристаллической структуры и биохимического тестирования, обладает открытым активным сайтом и следует каталитическому механизму сериновых гидролаз. Ученые сконструировали двойной мутант PETase, который показывает заметно повышенную активность деградации PET в каталитическом центре. В отличие от PETase дикого типа, которой требуются сотни лет для деградации PET в естественных условиях, этот мутант может разлагать пластик в течение нескольких дней.

Повышение эффективности с помощью систем с двумя ферментами

Исследования показывают, что добавление MHETase к реакции значительно увеличивает скорость деградации PET, причем смеси ферментов разрушают PET в два раза быстрее, чем PETase в одиночку. Эксперименты показали, что увеличение концентраций PETase и MHETase значительно увеличивает скорость деградации PET, что позволяет предположить, что реакция ограничена концентрацией фермента, а не субстрата. Анализ синергического эффекта далее показывает, что присутствие MHETase заметно улучшает общую скорость деградации даже при более низких концентрациях PETase. Оптимальное соотношение PETase и MHETase все еще не определено.

Инновация «Суперфермент» утраивает скорость деградации

В недавних экспериментах исследователи разработали «суперфермент», объединив MHETase и PETase в один длинноцепочечный химерный белок. Этот суперфермент превосходит как PETase, так и MHETase по отдельности в разложении PET и может эффективно разлагать полиэтиленфураноат (PEF), биопластик, используемый для пивных бутылок. Превосходная производительность химерного белка утроила скорость разложения PET и PEF, превратив их в мономеры в течение нескольких дней. Это нововведение обещает неограниченную переработку и повторное использование пластика, снижая зависимость от ископаемых ресурсов.

Кроме того, прорыв в 2020 году привел к открытию нового фермента, способного эффективно разлагать ПЭТ всего за 10 часов. Исследователи провели скрининг различных бактерий и ферментов, включая кутиназу компоста из веток листьев (LLC), открытую в 2012 году, что привело к появлению сотен мутантов гидролазы ПЭТ. Один выбранный мутант продемонстрировал эффективность разложения ПЭТ в 10 000 раз выше, чем у натурального LLC, и оставался стабильным при 72 °C, что близко к температуре плавления ПЭТ. Это достижение закладывает основу для бесконечной переработки ПЭТ и в настоящее время находится на стадии пилотного производства.

Перспективы коммерциализации переработки на основе ферментов

В природе микроорганизмы эффективно разлагают природные полимеры, такие как целлюлоза и хитин, с помощью синергических ферментных систем, которые со временем развились для оптимизации разложения. Некоторые почвенные бактерии, такие как Ideonella sakaiensis, демонстрируют схожие эволюционные черты и могут перерабатывать полиэфирные субстраты с помощью двухферментной системы. Однако коммерциализация этой суперферментной технологии по-прежнему сталкивается с рядом проблем.

Wankai New Materials Co., Ltd., ведущая компания в индустрии бутылочного ПЭТ, находится на передовой мирового производства. Компания не только привержена зеленому производству, но и активно расширяет свой бизнес по переработке ПЭТ. Ее материнская компания Zhink Group заключила долгосрочное стратегическое партнерство с французской  CARBIOS использует свою передовую технологию ферментативной деградации. Целью этого сотрудничества является создание первого в Китае промышленного предприятия по биопереработке ПЭТ мощностью 50 000 тонн в год. Ожидается, что эта инициатива значительно повысит конкурентоспособность Wankai в плане устойчивости и будет способствовать коммерциализации технологий переработки на основе ферментов.

Заключение

Микроорганизмы и их ферменты предлагают новые возможности для переработки пластика, но наше понимание этих процессов все еще находится на ранних стадиях. Поскольку пластик в основном производится из ископаемого топлива, а проблема загрязнения окружающей среды обостряется, эффективные решения имеют решающее значение. Ключ к решению этой проблемы заключается в масштабировании сокращения пластика до его мономерных компонентов. К счастью, эволюционная мудрость природы и научные инновации дают новую надежду, потенциально служа прорывом в решении проблемы загрязнения пластиком.