Японські вчені створили бактерії для виробництва біопластику

Пластик присутній скрізь на Землі — всередині людського організму, в найглибших океанських западинах та на найвищих гірських вершинах. Людство виробило мільярди тонн цього матеріалу і продовжує виготовляти все більше. Водночас позбутися пластику виявляється надзвичайно складно. Несподівано головна перевага пластику — його довговічність — стала найбільшою проблемою.

Група японських науковців може змінити цю ситуацію. Вони використали метаболізм звичайної бактерії Escherichia coli, перетворивши її на мікроскопічну фабрику, яка виробляє ключовий інгредієнт для високоякісного біорозкладного пластику безпосередньо з простого цукру.

У новому дослідженні, опублікованому в журналі Metabolic Engineering, науковці з Університету Кобе детально описали, як вони створили новий біологічний шлях, що забезпечив найвищий вихід цієї перспективної сполуки, створивши життєздатний план для відходу частини пластикової промисловості від залежності від нафти.

Багато пластикових пляшок, з яких щодня п'ють мільйони людей, виготовлені з поліетилентерефталату або ПЕТ. ПЕТ є полімером, тобто довгим ланцюгом повторюваних молекулярних одиниць, які називаються мономерами. Одним з ключових мономерів у ПЕТ є терефталева кислота — хімічна речовина, отримана з нафти. Саме ця кислота робить пластик міцним і довговічним, але водночас упертим до біорозкладання.

Протягом років науковці шукали біологічну заміну, яка могла б забезпечити подібні або навіть кращі властивості. Одним з найперспективніших кандидатів є молекула під назвою 2,5-піридиндикарбоксилат або 2,5-ПДКА. Як і терефталева кислота, вона може використовуватися для синтезу поліестерів та інших високоміцних полімерів, які називаються поліімідами. Принципова різниця полягає в присутності атома азоту в її основній кільцевій структурі.

Ця, здавалося б, незначна зміна має великі наслідки, потенційно призводячи до створення пластиків з кращими фізичними властивостями. Ця хімічна зміна також відкриває двері до справжньої біорозкладності. Однак виклик завжди полягав у ефективному та сталому виробництві 2,5-ПДКА.

Методи хімічного синтезу часто страждають від низького виходу продукту. Тут на допомогу приходить біологія. Якби вдалося змусити мікроби виробляти цю речовину, це було б фантастично. Звичайно, це легше сказати, ніж зробити.

Первісний метод починався з молекули під назвою протокатехуат. План полягав у використанні ферменту для розриву кільцевої структури протокатехуату, а потім додаванні атома азоту з аміаку для утворення бажаного 2,5-ПДКА.

Однак проблема полягала в тому, що проміжна молекула, створена після розриву кільця, була дуже нестабільною. Перш ніж вона могла захопити атом азоту, вона часто розпадалася і створювала багато непотрібних побічних продуктів. Весь процес був дуже неефективним.

Команда з Університету Кобе під керівництвом доктора Шухея Ноди та доктора Цутому Танаки вирішила знайти абсолютно інший шлях. Вони розробили новий метаболічний шлях, який починається не з протокатехуату, а зі спорідненої молекули під назвою пара-амінобензойна кислота або ПАБА. Їхня стратегія базувалася на ключовому ферменті, який вони запозичили з іншого виду бактерій. Це означає, що важливий азот уже є частиною молекули до того, як кільце буде розірване.

Результат став переломним моментом. Отриманий продукт був стабільним і надійно повертався до правильної структури 2,5-ПДКА, не втрачаючи частин себе в процесі.

Щоб довести перевагу свого нового методу, дослідники провели пряме порівняння. Вони створили два штами кишкової палички. Один використовував старий шлях через протокатехуат, а інший — їхній новий шлях через похідну ПАБА. Вони годували кожен штам відповідним вихідним матеріалом і вимірювали результат. Результати були приголомшливо чіткими, показавши, що новий метод надійно створює міцний біорозкладний пластик.

Наявність кращого хімічного рецепту — це хороший початок. Змусити живий організм ефективно виконувати його, починаючи лише з глюкози, — це ще складніший виклик.

Їхнім першим кроком було перетворення кишкової палички на спеціаліста з виробництва ПАБА. Це включало розумне та ретельне редагування генів, щоб забезпечити ефективне перетворення мікробами ресурсів на пластик. Це був величезний виклик з кількома вузькими місцями, найупертішим з яких виявилося те, що один з введених ферментів виробляв високореактивну сполуку — пероксид водню. Ця сполука потім атакувала фермент, який її виробляв, тим самим деактивуючи його.

«Завдяки вдосконаленню умов культивування, зокрема додаванню сполуки, яка може поглинати пероксид водню, ми нарешті змогли подолати цю проблему, хоча це додавання може створити нові економічні та логістичні виклики для великомасштабного виробництва», — каже біоінженер з Університету Кобе Танака Цутому, один з авторів дослідження.

Зрештою дослідники змогли контролювати процес і масштабувати його. Вони перенесли процес з малих пробірок до контрольованого однолітрового біореактора — установки, яка дозволяє точно контролювати такі змінні, як рівень кислотності, температура та розчинений кисень.

Результати були вражаючими. Протягом 144 годин — шести днів — інженерна культура кишкової палички активно росла і стабільно виробляла цільову молекулу. Це найвища концентрація та вихід 2,5-ПДКА, коли-небудь досягнуті шляхом мікробної ферментації.

Цей прорив представляє ключовий крок до сталого виробництва біопластиків. Хоча виклики залишаються, особливо коли справа доходить до масштабування, ця робота встановлює потужну та ефективну біологічну платформу. Це не перший випадок, коли дослідники змушували мікроби виробляти пластик, але це один з найперспективніших підходів.

Розумно перепрограмувавши природну хімію мікроба, команда з Університету Кобе продемонструвала, що будівельні блоки для пластиків майбутнього можуть надходити не з нафтопереробного заводу, а з бурлячого чану бактерій, що живляться цукром.