Проблема загрязнения окружающей среды пластиком давно стала глобальной головной болью. Традиционное производство пластиков, основанное на нефтехимическом сырье, не только истощает запасы ископаемого топлива, но и выпускает материалы, которые практически не разлагаются в природе, накапливаясь в экосистемах и нанося им непоправимый вред. Однако, на горизонте забрезжил луч надежды: ученые обнаружили биологические альтернативы, способные решить эту насущную проблему.
Вдохновившись природными процессами, исследователи обратили внимание на бактерии. Уже известно о существовании микроорганизмов, способных разрушать некоторые виды пластика, открывая экологичный путь к утилизации отходов. Более того, прогресс в области белковой инженерии позволяет создавать ферменты с заданными свойствами, в том числе и для расщепления сложных полимерных цепей пластика.
Научный прорыв произошел в области биотехнологического синтеза пластиков. Группа корейских ученых разработала уникальный штамм бактерий, E. coli, способный производить полимеры, используя в качестве исходного сырья обычную глюкозу. Ключевым элементом этой инновационной системы стал особый фермент, который бактерии обычно задействуют в условиях дефицита питательных веществ. Этот фермент, как оказалось, можно модифицировать и настроить для производства широкого спектра полимерных материалов.
В основе разработки лежит механизм синтеза полигидроксиалканоатов (ПГА) – природных полимеров, которые бактерии накапливают в своих клетках, словно "углеродные консервы". Этот процесс запускается, когда бактерия получает достаточно углеводов и энергии, но испытывает нехватку других элементов, необходимых для роста и размножения. В таких условиях клетка начинает "складировать" излишки углерода, соединяя небольшие молекулы в длинные полимерные цепи ПГА. Когда условия становятся благоприятными, бактерия может легко "переварить" эти запасы, используя их в качестве источника энергии и строительных блоков.
Удивительная особенность ПГА-синтезирующей системы заключается в ее гибкости. Фермент ПГА-синтаза, отвечающий за сборку полимера, оказался не слишком разборчив в выборе "кирпичиков". На сегодняшний день известно более 150 различных молекул, которые могут быть включены в состав ПГА. Главное условие – способность молекулы образовывать сложноэфирную связь (основу полимера ПГА) и возможность присоединения к коферменту А – ключевому метаболическому посреднику в клетке.
Схема работы ферментной системы. Первый фермент присоединяет аминокислоту (слева) к коферменту А. Второй фермент использует полученный продукт для построения полимерной цепи. Источник: Chae et. al.
Традиционно ПГА-синтаза формирует связи через атом кислорода. Однако, существует и альтернативный тип связи, где "мостиком" служит атом азота, как в аминокислотах. Долгое время ферменты, способные катализировать образование таких "азотных" связей, оставались неизвестными. Корейские исследователи решили пойти нестандартным путем и проверить, можно ли "перепрограммировать" уже известные ферменты, заставив их выполнять непривычную для них работу.
В качестве отправной точки был выбран фермент из бактерии Clostridium, известный своей способностью присоединять различные вещества к коферменту А. Этот фермент действительно неплохо справился с задачей присоединения аминокислот. Для этапа полимеризации аминокислот ученые использовали модифицированный фермент из Pseudomonas с четырьмя мутациями, расширившими его "репертуар" субстратов. В лабораторных условиях, в пробирке, эта двухферментная система заработала, успешно полимеризуя аминокислоты.
Следующим шагом была "пересадка" этой системы в живые клетки E. coli. Здесь возникла неожиданная трудность: один из ферментов оказался токсичным для бактерий, замедляя их рост. Пришлось применить методы эволюционной инженерии, чтобы вывести штамм E. coli, устойчивый к токсичному белку. В итоге, клетки с "двойным ферментным набором" начали производить небольшие количества аминокислотного полимера. При добавлении в питательную среду избытка определенной аминокислоты, именно она преимущественно встраивалась в полимерную цепь.
Однако, выход полимера на единицу бактериальной массы оставался невысоким. Ученые предположили, что если аминокислоты будут производиться непосредственно внутри бактериальных клеток из глюкозы, эффективность полимеризации возрастет. Для этого в E. coli были введены дополнительные копии генов, отвечающих за синтез лизина – одной из аминокислот. Этот прием оказался удачным: выход полимера увеличился, а доля лизина в его составе возросла.
Значительную часть полученных полимеров составляла молочная кислота – побочный продукт метаболизма глюкозы, также способный образовывать сложноэфирные связи. Чтобы уменьшить нежелательное включение молочной кислоты, исследователи "отключили" ген фермента, отвечающего за ее основное производство в клетке. Этот шаг позволил существенно снизить долю молочной кислоты в полимере.
Экспериментируя с условиями культивирования, ученые научились получать полимеры, состоящие из смеси двух различных аминокислот, а также включать в них неаминокислотные компоненты. Введя в E. coli еще несколько дополнительных ферментов, им удалось довести выход полимера до впечатляющих 50% от массы бактериальной культуры. Более того, оказалось возможным направленно менять аминокислотный состав полимера, вводя мутации в ген ПГА-синтазы.
Разработанная биотехнологическая платформа отличается исключительной гибкостью, позволяя создавать полимеры с разнообразным химическим составом и, соответственно, с широким спектром свойств. Учитывая ферментативный способ синтеза, полученные материалы с высокой вероятностью будут биоразлагаемыми, что выгодно отличает их от традиционных пластиков.
Несмотря на многообещающие результаты, новая технология пока не лишена недостатков. Полностью контролировать состав полимера не удается: хотя можно сместить баланс в сторону желаемых аминокислот, фермент все равно будет встраивать в полимер и другие молекулы, присутствующие в клетке. Кроме того, существуют сложности с очисткой полимера от клеточных компонентов для дальнейшего использования. И, наконец, скорость производства пока уступает промышленным масштабам.
Тем не менее, данное исследование – важный шаг на пути к экологически безопасному производству пластиков. Оно наглядно демонстрирует огромный потенциал биологических систем в создании материалов будущего.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemical Biology, 2025 (DOI: 10.1038/s41589-025-01842-2).
