Бактерии — пожиратели пластика

Исследователям из группы Йосиды удалось локализовать гены, позволяющие бактерии I.sakaiensis разрушать полиэтилентерефталат до этиленгликоля и терефталевой кислоты

Полиэтилентерефталат (ПЭТ), который получают поликонденсацией этиленгликоля с терефталевой кислотой, находит применение во многих областях — от производства пластиковых бутылок до текстиля. ПЭТ-тара не боится воды и очень инертна, то есть практически идеальна для хранения пищевых продуктов. Ежегодное мировое производство полиэтилентерефталата составляет почти 50 млн тонн, а к 2025 году может достичь 100 млн тонн. К сожалению, оборотная сторона высокого спроса на полимер — растущие горы пластиковых отходов: полиэтилентерефталат очень сложно перерабатывать.

Сосуке Йосида из Киотского технологического института (Япония) и его коллеги решили выяснить, существуют ли бактерии, которые могли бы использовать полиэтилентерефталат в качестве источника углерода. Найти такой организм в природе было не легче, чем иголку в стоге сена.

Прочесав двор завода, занимающегося вторичной переработкой полиэтилентерефталата в городе Сакаи, Йосида и его коллеги отобрали 250 образцов почвы, сточных вод и других загрязненных ПЭТ-объектов. На следующем этапе исследования они использовали образцы для скрининга микроорганизмов, способных использовать тонкую пленку из низкокристаллического полиэтилентерефталата в качестве главного источника углерода. Анализ одного из образцов дал обнадеживающие результаты: через 15 суток после начала эксперимента пленка в нем оказалась проедена насквозь — около 75% полиэтилентерефталата превратилось в диоксид углерода.

Микроорганизмом с интересными пищевыми пристрастиями оказалась грамотрицательная бактерия, которую назвали в честь города, где ее нашли, — Ideonella sakaiensis 201-F6. Исследователям удалось определить и ферменты, позволяющие бактерии переваривать полимер. Сначала они расшифровали ее ДНК и обнаружили гены, которые, судя по их последовательностям, могут быть вовлечены в расщепление ПЭТ. Один из этих генов имел сходство с геном другой бактерии, о котором уже было известно, что он отвечает за экспрессию белка, разлагающего ПЭТ. (Разнообразные микроорганизмы, поедающие пластики, ученым встречались и ранее, см., например, «Химию и жизнь», 2013, 8.)

Обнаруженный ген клонировали и наработали в достаточных количествах экспрессируемый им белок — фермент ПЭТазу (PETase). Оказалось, что этот фермент действительно способствует гидролизу полимерной цепи полиэтилентерефталата до моно(2-гидроксиэтил)терефталевой кислоты. Переработка не останавливается на этой стадии: второй фермент способствует дальнейшему гидролизу до этиленгликоля и терефталевой кислоты, которые затем полностью разрушаются бактериями до углекислого газа и воды.

Как подчеркивает Йосида, обнаружение питающихся пластиком бактерий и их ферментов еще не означает, что проблема пластика в окружающей среде решена. Скорее эти результаты окажутся полезными для нового подхода к вторичной переработке ПЭТ на заводах, где можно будет заменить химическую деструкцию полимера биологической.