В статье для Guardian научный обозреватель Стивен Блейни объяснил, как микробиологи пытаются развить способность бактерий переваривать пластик. Naked Science публикует сокращенный перевод этого текста.
В 2001 году японские учёные сделали удивительное открытие на свалке. В канавах, заполненных мусором и грязью, они обнаружили слизистую пленку бактерий, которая легко разъедает пластиковые бутылки, детские игрушки и другой хлам. Перерабатывая пищевые отходы, бактерии извлекали углерод из пластика, давая ему энергию для роста, движения и деления, порождая новые микробы, которые еще больше поглощали пластик. По сути, бактерии поедали пластик, а это не совсем то же самое, что мы обычно подразумеваем под его поеданием.
Ускоряя природу
Группу возглавляет профессор Кохей Ода из Киотского технологического института. Его команда искала вещество, которое смягчило бы синтетические волокна, изготовленные из полиэфирных волокон, например, полиэстер, который изготавливается из того же пластика, из которого изготовлено большинство бутылок из-под газировки. Ода убежден, что микробы уже решили все научные проблемы, с которыми может столкнуться человечество.
«Я советую людям внимательно наблюдать за этими существами. У них часто возникают очень хорошие идеи», — сказал ученый.
Ода и его коллеги обнаружили на свалке нечто беспрецедентное. Они хотели найти микроорганизмы, развившие способность разрушать поверхностный слой пластика. Но бактерии, которые они обнаружили, похоже, делают больше, полностью расщепляя пластик и превращая его в питательные вещества. Потенциал этого открытия очевиден современным людям, которые хорошо осознают масштабы пластикового загрязнения. Однако Ода отмечает, что в 2001 году, за три года до того, как появился термин «микропластик», он «не считался темой, представляющей большой интерес». Предварительная статья его команды о бактериях так и не была опубликована.
Пластиковое загрязнение больше нельзя игнорировать. Примерно за 20 лет мы произведем 2,5 миллиарда тонн пластиковых отходов и примерно на 380 миллионов тонн больше каждый год. Ожидается, что к 2060 году это число утроится.
Крошечный кусок пластика, в семь раз превышающий размер Британии, плавает посреди Тихого океана. Пластиковый мусор плавает на пляжах и переполненных свалках по всему миру. Частицы микропластика и нанопластика содержатся в овощах и фруктах и проникают через корни растений. Они присутствуют практически во всех органах человека, а также могут передаваться от матери к ребенку через грудное молоко.
Современные методы уничтожения или переработки пластика совершенно неадекватны. В большинстве случаев качество материала [после обработки] ухудшается, так как материал измельчается или раздавливается, что приводит к перетиранию или разрыву волокон, из которых состоит материал. Стеклянные и алюминиевые контейнеры можно плавить, чтобы снова и снова создавать новые формы. А гладкий пластик в бутылках, например, портится каждый раз, когда вы его перерабатываете.
Пластиковые бутылки превращаются в пакеты, волокна для подкладки курток, а затем в дорожный наполнитель, который больше не перерабатывается. И это лучший вариант развития событий. Потому что на самом деле только 9% пластика попадает на заводы по переработке. Единственным постоянным методом утилизации является сжигание: ежегодно сжиганию подвергается около 70 миллионов тонн пластика. Но при этом в атмосферу выбрасывается углерод и другие вредные вещества, которые можно найти в пластике, что способствует климатическому кризису.
В течение нескольких лет после открытия Ода продолжал переписываться со своим учеником Кадзуми Хирагой, который сейчас является профессором, и проводил эксперименты. В 2016 году они наконец опубликовали свои выводы в престижном журнале Science. Ученые назвали бактерию, обнаруженную на свалке, Ideonella sakaiensis, в честь города Сакаи, где она была обнаружена. В этой статье авторы описали специфический фермент, вырабатываемый этой бактерией. Он расщепляет полиэтилентерефталат (ПЭТ), наиболее распространенный пластик, используемый в одежде и упаковке.
Открытие Оды — лишь отправная точка. Когда ученые впервые протестировали бактерии в лаборатории, они поместили их в пробирки, заполненные пластиковой пленкой, длиной 2 сантиметра и весом 20 граммов. При комнатной температуре небольшие кусочки пластика разлагались примерно за семь недель. Хотя это было впечатляюще, было слишком поздно бороться с пластиковыми отходами в промышленных масштабах. К счастью, за последние десятилетия ученые добились огромного прогресса в области ферментов.
Когда организмам необходимо расщеплять крупные соединения, такие как нити ДНК, сложные углеводы и пластмассы, они полагаются на ферменты — крошечные молекулярные машины внутри клеток, предназначенные для выполнения этой работы. Ферменты помогают химическим реакциям протекать в микроскопическом масштабе, например, сближая атомы, чтобы облегчить их связывание, или скручивая сложные молекулы в определенных точках, чтобы сделать их слабее и легче разрушаться.
Если вам нужно улучшить природные свойства фермента, есть метод, который работает в большинстве случаев. Хотя химические реакции, как правило, более активны при более высоких температурах, большинство ферментов наиболее стабильны при внутренней температуре тела, при которой они функционируют, которая у человека составляет плюс 37 градусов Цельсия. Переписывая ДНК, кодирующую ферменты, ученые могут изменить их структуру и функции. Например, ферменты можно сделать более стабильными и работать быстрее при более высоких температурах.
Этот путь имеет множество ограничений. Хотя ученые понимают, как работает большинство ферментов, трудно предсказать, какие изменения можно внести, чтобы они работали лучше.
«Логика здесь обычно не срабатывает, поэтому необходимо использовать другие подходы», — сказала Элизабет Белл, исследователь Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в Колорадо.
Bell действует на ПЭТазу, фермент, вырабатываемый Ideonella sakaiensis, который расщепляет ПЭТ-пластик. Чтобы ускорить естественный процесс эволюции, Белл берет некоторые ферменты, действующие на пластик, и использует генную инженерию, чтобы вызывать у него всевозможные мутации.
В дикой природе мутации ферментов происходят один раз на каждые несколько тысяч делений бактерий. Белл получает сотни или тысячи потенциально полезных мутантов. Далее мы проверяем его способность расщеплять пластик. Кандидаты, демонстрирующие хоть малейший прогресс, подвергаются новой мутации. Созданный ею фермент расщепляет ПЭТ во много раз быстрее, чем исходный образец.
В поисках других путей
Но исследования проводятся не только в лаборатории. Подобно золотодобытчикам, ищущим в реках крупицы драгоценных металлов, биостаратели путешествуют по миру в поисках потенциально полезных микроорганизмов. В 2023 году команда из Университета Чоннам в Южной Корее отправилась на муниципальную свалку, пробурила там 15-метровую яму и обнаружила пластиковые отходы, которые накапливались десятилетиями. В нем профессор Сучин Йом и его студенты определили Bacillus thuringiensis, тип бактерий, которые, по-видимому, могут выжить, поедая пластиковые пакеты. Исследовательская группа в настоящее время изучает, какие ферменты использует эта бактерия и может ли она на самом деле усваивать пластик.
Саймон Крэгг, микробиолог из Портсмутского университета, ищет микробы, питающиеся ПЭТ-пластиком, на обширных мангровых зарослях во Вьетнаме и Таиланде.
«Ферменты, расщепляющие пластик, очень похожи на природные ферменты, разрушающие мембраны листьев растений. Корни мангровых деревьев имеют аналогичные водонепроницаемые мембраны, и, к сожалению, в самом болоте накапливается невероятное количество пластика», — сказал Крэгг.
Он надеется, что бактерии, разрушающие корни мангровых деревьев, перейдут на пластик.
Большую часть тех двухсот лет, пока мы серьезно изучали микробы, они содержались в своего рода научной тюрьме. Считалось, что большинство микроорганизмов являются либо патогенами, которые необходимо уничтожить, либо просто «рабочими лошадками» в некоторых важных промышленных процессах. Брожение вина, брожение сыра и т д.
«Еще 40–50 лет назад микробиология считалась устаревшей наукой», — говорит Хандельсман, бывший президент Американского общества микробиологии.
В XX веке, когда физики преуспели в расщеплении атомов, а биологи разработали классификации растений и животных, учёные, работающие с микроскопически малыми частями живой природы, явно отставали. Но признаки скрытого мира, за пределами их досягаемости, разожгли их воображение.
Еще в 1930-е годы микробиологи были озадачены расхождениями между формами микроорганизмов, которые они наблюдали в природе, и теми, которые можно было изучать в лаборатории. Они обнаружили, что, взглянув на каплю морской воды или щепотку почвы под микроскопом, они обнаружили внутри сотни удивительных существ. Однако если тот же образец поместить поверх питательной суспензии в чашке Петри, только несколько видов выживут и будут расти на нем. Когда они начали подсчитывать количество микробных колоний, растущих в чашке, они обнаружили, что их всего лишь несколько по сравнению с тем, что они могли увидеть под микроскопом.
Подобно редким экзотическим животным, которые не могут размножаться в неволе, большинство микроорганизмов оказались непригодными для жизни в лаборатории. Поэтому ученые сосредоточились на изучении того, что может выжить в стесненных условиях.
Тем не менее, нашлись микробиологи, которые пытались вырваться из этих оков и понять истинные масштабы микробного мира. Хорошо известна история открытия Александром Флемингом пенициллина в 1928 году. Споры грибка, которые распространились по коридорам больницы Святой Марии и случайно поселились в чашках Петри, содержали пенициллин, который оказался одним из самых мощных его инструментов. Медицина 20 века.
Менее известна, но не менее важна история химика из Университета Рутгерса Зельмана Ваксмана. Он заметил, что некоторые почвенные бактерии производят токсины, которые убивают или подавляют другие бактерии, конкурирующие за пищу, и ввел термин «антибиотик». Ваксман неустанно работал над определением условий, необходимых для выращивания этих бактерий в лаборатории. И его усилия привели не только к созданию в 1946 году второго коммерчески доступного антибиотика — стрептомицина, но и к выпуску на рынок следующих пяти антибиотиков.
В результате поиск микроорганизмов-продуцентов антибиотиков оказывается гораздо выгоднее, чем ждать, пока они случайно окажутся в лаборатории. Сегодня 90% всех антибиотиков производятся из той же группы бактерий, которая привела к открытию Ваксмана.
Попытки, подобные попытке Ваксмана, относительно редки. Ситуация начала меняться с открытием простых химических методов чтения последовательностей ДНК, которые появились в 1970-х годах и стали доступны в середине 1980-х годов. Внезапно микроорганизмы можно было каталогизировать под микроскопом и идентифицировать по их ДНК. Это говорит о том, как они растут и функционируют.
Это еще не все, добавил Хандельсман. «Мы стали свидетелями огромного генетического разнообразия». В результате «формы жизни, которые выглядели похожими, на самом деле были очень разными. Это заставило меня осознать это».
Двадцать пять лет назад ученые согласились, что на Земле, вероятно, существует менее 10 миллионов видов микроорганизмов. Однако некоторые исследования последнего десятилетия показали, что это число достигает 1 триллиона [эти цифры оспариваются многими учёными] ред., и до сих пор во многом неизвестен. В организме человека обнаружены микроорганизмы, которые влияют на все: от нашей способности противостоять болезням до нашего настроения. В глубоком море были обнаружены микроорганизмы, живущие в кипящих горячих источниках. Нефтяные месторождения являются домом для микроорганизмов, которые научились расщеплять ископаемое топливо. Чем дольше вы исследуете, тем больше необычных открытий сделаете.
Путь и скорость микробной эволюции удивили бы Чарльза Дарвина и его современников. Микроорганизмы обнаружили способность процветать даже в экстремальных условиях. Частично причина в том, что микробы могут быстро делиться, а их популяции могут достигать миллиардов. А еще потому, что в распоряжении микробов есть эволюционные хитрости, неизвестные более сложным формам жизни. Обмен ДНК между людьми.
Как заявил Кохей Ода, микроорганизмы предлагают уникальные решения многих проблем, созданных человеком. И люди сейчас создают все более экстремальные ситуации по всему миру.
Найти новые микроорганизмы и работать с ними в лаборатории – это только первый шаг. Нам еще предстоит добиться решительного прогресса во внедрении научных разработок в промышленность. Это не всегда легко.
Уничтожать или превращать
В случае с микроорганизмами такие прорывы уже достигнуты. С 2021 года французская компания Calbios использует бактериальные ферменты для переработки около 250 килограммов ПЭТ-отходов каждый день, расщепляя их на молекулы-прекурсоры, которые можно превратить в новый пластик. Хотя Carbios и не совсем то же самое, что компостирование, он приближается к цели превратить пластик в материал, пригодный для бесконечной переработки, такой как стекло или алюминий.
В дикой природе бактерии производят ограниченное количество ферментов, расщепляющих пластик. Чтобы ускорить процесс, Calbios платит биотехнологической компании за сбор и концентрирование чистых ферментов бактерий. Ученые Calbios помещают заранее подготовленные пластиковые гранулы в водный раствор ферментов в герметичный стальной резервуар высотой несколько метров.
В соседней лаборатории, где тестируется этот процесс, можно наблюдать ту же реакцию, происходящую в небольшом сосуде. Вокруг них, словно хлопья в снежном шаре, кружатся осколки грязно-белого пластика. Через некоторое время пластик разложится, а его компоненты растворятся, оставив за стеклом лишь сероватую жидкость. Теперь это не твердый ПЭТ, а два жидких химиката, этиленгликоль и терефталевая кислота, которые можно разделить и превратить в новый пластик.
Два года назад компания переработала в своей лаборатории несколько килограммов пластика. Сейчас это количество увеличилось до 250 килограммов в день. Калбиос планирует в 2025 году открыть крупномасштабный завод недалеко от бельгийской границы, который сможет перерабатывать более 130 тонн пластика каждый день.
Генеральный директор Calbios Эммануэль Ладан заявил, что в настоящее время компания производит на 51% меньше выбросов в процессе переработки, чем при производстве нового пластика. Дополнительным преимуществом является то, что новая нефть не производится, поэтому общее количество пластика в мире не увеличивается.
Но смогут ли эволюционирующие микроорганизмы спасти нас от пластикового кризиса?Некоторые учёные полагают, что область применения этой технологии остаётся ограниченной. Недавний критический обзор, опубликованный в журнале Nature, указывает на то, что многие виды пластмасс вряд ли будут эффективно расщепляться ферментами, поскольку для разрыва химических связей им требуется огромное количество энергии.
Профессор Энди Пикфорд из Портсмута признал существование таких ограничений, но отметил, что существует также множество податливых материалов.
«Нейлон долговечен, но биоразлагаем. Полиуретан тоже подвержен разложению», — напомнил он.
Эксперты Kalbios соглашаются с этим, прогнозируя, что в течение нескольких лет компания запустит процесс переработки нейлона. Если прогнозы сбудутся, около четверти всего пластика будет подлежать вторичной переработке. Почти половина всех пластиковых отходов могла бы быть переработана, если бы было обнаружено, что все пластмассы, которые легко разлагаются, по крайней мере теоретически, содержат правильные ферменты.
Но большинство ученых просто стремятся использовать ферменты для преобразования старого пластика в новый материал. Это удручающе малые объемы обработки. Хотя этот подход имеет экономический смысл, он по-прежнему требует производства пластика и затрат энергии для этого. И хотя переработка может замедлить производство нового пластика, она не поможет избавиться от неисчислимого количества пластика, который уже был произведен.
Точно так же, как микробы расщепляют органические вещества, микробы могут разлагать куски сырого пластика и колонизировать кучу углерода, скажем, безжизненное человеческое тело, оставляя после себя только неперевариваемые фрагменты скелета через год или около того.
Даже когда ученые обнаруживают микробы, питающиеся пластиком, в бутылках, лежащих на свалке или в кучах мусора в океане, эти микробы могут лишь быстро откусить. Подобно младенцам, у которых режутся зубы, они не могут справиться с чем-либо, что не размягчили и не поднесли вам на ложке.
В то же время микробы обладают способностью нейтрализовать некоторые из самых вредных токсинов на планете, очищая большие территории. В первую очередь это касается химических веществ, существующих на Земле миллионы лет. Чтобы микроорганизмы успели их почувствовать. Когда в 1989 году из танкера Exxon Valdez в залив Аляска вытекло 41 миллион литров нефти, внимание средств массовой информации сосредоточилось на усилиях экологов по очистке загрязненных тюленей и тупиков. Однако разлив в первую очередь был очищен бактериями, которые естественным образом питаются сырой нефтью. Около 50 тонн азотных удобрений было разбросано вдоль береговой линии для стимулирования роста.
Когда бывшая промышленная площадка в Стратфорде, восточный Лондон, была выбрана для проведения Олимпийских игр 2012 года, из нее было вывезено более 2000 грузовиков почвы, загрязненной нефтью и другими химикатами. За несколько недель эта почва насытилась азотом и кислородом, что позволило бактериям расти и поглощать токсины. С тех пор земля была возвращена Стратфорду и теперь является Олимпийским парком.
Вопрос о том, можно ли сделать то же самое с пластиком, накопившимся в окружающей среде, привлек гораздо меньше внимания и финансирования, чем поиск способов более эффективной переработки пластика.
«На рынке нет стимула убирать отходы, будь то CO2 или пластик. Инвестиции в переработку пластика окупаются. А кто будет платить за глобальный проект, который поможет человечеству в целом? Или? Только общественная поддержка может улучшить ситуацию — заявил Виктор Ди Лоренцо, эксперт Национального центра биотехнологий Испании в Мадриде и сторонник широкомасштабного использования микроорганизмов.
Начало конца пластмассового мира?
Помимо рыночных вопросов, есть и юридические вопросы. Большинство стран запрещают выпуск генетически модифицированных видов микробов в дикую природу без специального разрешения, но разрешение дается редко. Причина очевидна.
В научно-фантастическом романе 1971 года «Мутант 59: Пожиратель пластика» вирус, способный мгновенно плавить пластик, распространяется по всему миру, вызывая крушения самолетов и разрушение домов. Маловероятно, что бактерии, питающиеся пластиком, обретут такую силу, но если микробы будут серьезно нарушены, это может иметь далеко идущие последствия.
Ди Лоренцо считает, что такое развитие событий маловероятно. ЕС уже финансирует несколько организаций, работающих над разработкой микроорганизмов и ферментов, которые превращают пластик в полностью биоразлагаемые материалы, а не просто в новые. В 2022 году группа немецких ученых ввела петазу Ideonella sakaiensis в морские водоросли, отметив, что однажды ее можно будет использовать для расщепления микропластика в океане.
Ода считает, что мы находимся в самом начале пути. «Как только 20 лет назад мы увидели пленки микроорганизмов, нарисованные на пластике, мы поняли, что это не один вид, а множество микроорганизмов, работающих вместе», — сказал он.
В то время как идеонелла разлагала пластик до промышленно ценных предшественников, другие микроорганизмы перерабатывали его в простые питательные вещества, доступные микробным сообществам. В каком-то смысле они были симбионтами и партнерами.
С тех пор Ода написал несколько статей, показывающих, что микробными сообществами можно манипулировать для создания систем, удаляющих микро- и нанопластики из почвы. Однако эти научные исследования не вызвали большого интереса.