Ученые обнаружили в компосте перспективный фермент для переработки пластика
Датские исследователи нашли 12 ферментов, способных расщеплять трудно перерабатываемые полиуретан и нейлон. Самым перспективным оказался фермент бактерии из компоста: после усовершенствования он за три дня разрушил около 1,4% полиуретана в пене из настоящей обувной подошвы без предварительной обработки пластика.
Источник: Новости науки
МОСКВА, 12 сентября /Новости науки/. Датские ученые обнаружили 12 ферментов, способных разрушать полиуретан и нейлон. Наиболее перспективным оказался фермент бактерии из компостной кучи, который исследователи назвали CCPUR1, об этом говорится в статье опубликованной Science.
«Результат: 29 бактерий, разрушающих пластик, и 12 ферментов, способных в разной степени разрушать полиуретан и нейлон», – отмечается в статье .
Ученые искали подходящие ферменты непосредственно в природных сообществах бактерий. Образцы были получены на свалке в Кении, в тропическом зоопарке Randers Regnskov, из кишечника личинок восковой моли и из компостной кучи недалеко от Орхуса.
Ученые использовали биопроспектинг – поиск организмов и генетического материала в природе, которые могут быть использованы в исследованиях и промышленности. Авторы отмечают, что впервые такой поиск ферментов для разрушения полиуретана и нейлона проводился в столь крупном масштабе и в настолько широком наборе сред.
Для отбора бактерий исследователи применили сортировку клеток с активацией флуоресценции. Бактерии смешивали с молекулами, имитировавшими химические связи полиуретана и нейлона. Если микроорганизм содержал подходящий фермент, смесь начинала светиться. Это позволило проверять миллионы бактерий со скоростью до 10 тыс. клеток в секунду.
Фермент из компоста
Наиболее перспективным оказался фермент CCPUR1 бактерии Chelatococcus composti. Он отличается широкой связывающей областью, которая позволяет взаимодействовать с крупными полимерами, а также устойчивостью к повышенной температуре и различным растворителям.
Исследователи связывают такие свойства с условиями обитания бактерии. В компосте присутствуют трудноразлагаемые растительные полимеры, в том числе воск и лигнин, поэтому микроорганизм выработал фермент, способный расщеплять сложные вещества. Температура компоста при этом может достигать 80 градусов Цельсия, что требует высокой стабильности ферментов.
Другие 11 обнаруженных ферментов лучше работают с небольшими фрагментами пластика. Ученые предполагают, что в дальнейшем их можно будет сочетать с CCPUR1, создавая последовательные процессы переработки, например сначала разрушать полиуретан, а затем использовать ферменты, действующие на нейлон.
За три дня CCPUR1 смог разрушить немного менее 1% измельченной полиуретановой пены из матраса. Исследователи подчеркивают, что этого пока недостаточно для промышленной переработки полиуретана и нейлона и ферментативный метод, вероятно, придется сочетать с механическими или химическими способами обработки пластика.
«Их реальное преимущество, когда речь идет о переработке, заключается в том, что они работают в мягких условиях, то есть при более низких температурах и давлениях, чем те, которые используются сегодня в большинстве технологий переработки», — приводятся в тексте слова постдока Рози Грэм.
Исследователи также усовершенствовали CCPUR1 с помощью компьютерного моделирования и направленного изменения ДНК фермента. Модифицированный вариант за три дня разрушил около 1,4% полиуретана в пене из настоящей подошвы обуви без предварительной обработки пластика. Результаты этой работы опубликованы в журнале Chem Catalysis, а исследование по поиску новых ферментов — в Angewandte Chemie.
Полиуретан используется, в частности, в матрасах, обувных подошвах и теплоизоляции холодильников, а нейлон — в одежде, сумках, автомобилях, канатах, деталях двигателей и рыболовных сетях. Оба материала производятся на основе нефти и относятся к видам пластика, которые трудно перерабатывать в промышленных масштабах.
«Результат: 29 бактерий, разрушающих пластик, и 12 ферментов, способных в разной степени разрушать полиуретан и нейлон», – отмечается в статье .
Ученые искали подходящие ферменты непосредственно в природных сообществах бактерий. Образцы были получены на свалке в Кении, в тропическом зоопарке Randers Regnskov, из кишечника личинок восковой моли и из компостной кучи недалеко от Орхуса.
Ученые использовали биопроспектинг – поиск организмов и генетического материала в природе, которые могут быть использованы в исследованиях и промышленности. Авторы отмечают, что впервые такой поиск ферментов для разрушения полиуретана и нейлона проводился в столь крупном масштабе и в настолько широком наборе сред.
Для отбора бактерий исследователи применили сортировку клеток с активацией флуоресценции. Бактерии смешивали с молекулами, имитировавшими химические связи полиуретана и нейлона. Если микроорганизм содержал подходящий фермент, смесь начинала светиться. Это позволило проверять миллионы бактерий со скоростью до 10 тыс. клеток в секунду.
Фермент из компоста
Наиболее перспективным оказался фермент CCPUR1 бактерии Chelatococcus composti. Он отличается широкой связывающей областью, которая позволяет взаимодействовать с крупными полимерами, а также устойчивостью к повышенной температуре и различным растворителям.
Исследователи связывают такие свойства с условиями обитания бактерии. В компосте присутствуют трудноразлагаемые растительные полимеры, в том числе воск и лигнин, поэтому микроорганизм выработал фермент, способный расщеплять сложные вещества. Температура компоста при этом может достигать 80 градусов Цельсия, что требует высокой стабильности ферментов.
Другие 11 обнаруженных ферментов лучше работают с небольшими фрагментами пластика. Ученые предполагают, что в дальнейшем их можно будет сочетать с CCPUR1, создавая последовательные процессы переработки, например сначала разрушать полиуретан, а затем использовать ферменты, действующие на нейлон.
За три дня CCPUR1 смог разрушить немного менее 1% измельченной полиуретановой пены из матраса. Исследователи подчеркивают, что этого пока недостаточно для промышленной переработки полиуретана и нейлона и ферментативный метод, вероятно, придется сочетать с механическими или химическими способами обработки пластика.
«Их реальное преимущество, когда речь идет о переработке, заключается в том, что они работают в мягких условиях, то есть при более низких температурах и давлениях, чем те, которые используются сегодня в большинстве технологий переработки», — приводятся в тексте слова постдока Рози Грэм.
Исследователи также усовершенствовали CCPUR1 с помощью компьютерного моделирования и направленного изменения ДНК фермента. Модифицированный вариант за три дня разрушил около 1,4% полиуретана в пене из настоящей подошвы обуви без предварительной обработки пластика. Результаты этой работы опубликованы в журнале Chem Catalysis, а исследование по поиску новых ферментов — в Angewandte Chemie.
Полиуретан используется, в частности, в матрасах, обувных подошвах и теплоизоляции холодильников, а нейлон — в одежде, сумках, автомобилях, канатах, деталях двигателей и рыболовных сетях. Оба материала производятся на основе нефти и относятся к видам пластика, которые трудно перерабатывать в промышленных масштабах.
