Ученые из Южной Кореи спроектировали крошечные бактериальные клетки, которые производят пластик. Пластик, производимый модифицированными бактериями Escherichia coli (E. coli), известен как полиэфирамиды (ПЭА). В отличие от пластика, полученного из нефти, который засоряет океаны и свалки, ПЭА поддается биологическому разложению. И теперь впервые их могут биосинтезировать живые организмы. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemical Biology.
Пластик повсюду. В 2022 году мировое производство пластика достигло 400,3 млн тонн, большая часть из которых была произведена из нефти. Проблема в том, что те же качества, которые делают пластик таким привлекательным (долговечность и низкая стоимость), делают его проклятием для окружающей среды. Многие из этих полимеров разлагаются столетиями, загрязняя экосистемы и пищевые цепи.
Ученые давно ищут биоразлагаемые альтернативы. Микробное производство биополимеров — пластика, производимого живыми организмами — оказалось многообещающим решением. Некоторые бактерии естественным образом превращают избыток углерода в полигидроксиалканоаты (PHA), тип полиэфира, который разлагается в окружающей среде. Но PEA, которые сочетают прочность полиамидов (например, нейлона) с биоразлагаемостью полиэфиров, никогда не синтезировались биологическим путем. До сих пор.
В природе PHA служат энергетическими резервами — бактерии накапливают их, когда времена хорошие, и разрушают, когда пищи становится мало. Но что, если этот биологический трюк можно было бы использовать для промышленного производства?
Чтобы добиться этого, команда сосредоточилась на двух ключевых ферментах: один из Clostridium , известный своей способностью связывать молекулы с коферментом А , и другой из Pseudomonas , который был ранее модифицирован для расширения диапазона принимаемых молекул. При введении в E. coli эти ферменты позволили бактериям сшивать аминокислоты в полимеры, потенциально образуя биоразлагаемые пластики.
Изменяя содержание аминокислот в исходном сырье, команда могла контролировать свойства полученного полимера. Некоторые версии пластика растягивались сильнее, прежде чем ломались, в то время как другие плавились при более низких температурах — полезные характеристики для промышленного применения.
Однако проблема заключалась в эффективности. Первоначальные выходы были низкими, а один из ферментов даже замедлил рост бактерий. Чтобы обойти это, исследователи вывели штамм E. coli , который лучше переносил фермент. Они также увеличили выработку бактериями лизина , одной из аминокислот, включенных в полимер. Изменив систему еще больше — выбив гены, связанные с выработкой молочной кислоты, и добавив дополнительные ферменты — команда увеличила выход полимера до более чем 50% от веса бактерий.
Результатом является впечатляюще гибкая система. Бактерии могут включать широкий спектр химикатов в свои полимеры, что потенциально позволяет исследователям точно настраивать свойства пластика для различных применений. «Было высказано предположение, что эти [аминокислоты] могут быть более эффективно включены в полимер, если они генерируются внутри клеток из подходящего источника углерода», — пишут исследователи. Другими словами, скармливая бактериям простые сахара, ученые могут производить биоразлагаемые пластики, соответствующие конкретным потребностям.
Но препятствия остаются. Процесс пока не позволяет полностью контролировать состав полимера — некоторые случайные химикаты из метаболизма клетки все еще попадают внутрь. Извлечение и очистка представляют собой дополнительные проблемы, а производительность пока не может конкурировать с традиционными пластиками на основе ископаемого топлива.
Тем не менее, последствия многообещающие. В отличие от обычных пластиков, для производства которых требуется нефть и которые способствуют загрязнению, эти биоинженерные полимеры могут производиться устойчиво и разлагаться естественным путем.
На данный момент бактерии, производящие пластик, не будут штамповать следующее поколение биоразлагаемых бутылок для воды. Но по мере развития исследований инженеры самой природы могут предоставить ключ к решению одной из самых стойких проблем человечества, связанных с загрязнением.
