lovesouthernsocial.com

Відкриття міжнародної групи вчених, до якої входять двоє бразильців, може допомогти звести до мінімуму забруднення, спричинене цим матеріалом.

Міжнародній групі вчених, в якій беруть участь двоє бразильців з Університету Кампінаса (Unicamp), вдалося покращити продуктивність PETase, ферменту, здатного харчуватися поліетилентерефталатом, PET-пластиком. Після того, як у 2016 році PETase була виявлена ​​в новому виді бактерій, група дослідників працювала, щоб отримати структуру ферменту та зрозуміти, як він працює. У процесі, випадково, вони створили мутацію ферменту, який має ще більшу спорідненість до ПЕТ, тобто більший потенціал для руйнування пластику.

Робота має величезний потенціал для практичного використання, оскільки, за оцінками, щороку в океани викидається від 4,8 до 12,7 мільйонів тонн пластику – кількість, яка, ймовірно, тільки зростатиме. Пластик, який накопичується навіть на найвіддаленіших пляжах планети, використовується саме через свою стійкість до деградації, яка найбільше загрожує навколишньому середовищу. У разі викидання ПЕТ-пляшка, наприклад, може залишатися в навколишньому середовищі протягом 800 років – на додаток до зростаючої та тривожної проблеми мікропластику.

• Зрозумійте екологічний вплив пластикових відходів на харчовий ланцюг
• Яке походження пластику, який забруднює океани?

При всьому цьому легко зрозуміти великий інтерес, викликаний відкриттям ферменту, здатного перетравлювати поліетилентерефталат. Цей фермент, званий PETase, тепер збільшив свою здатність руйнувати пластик. Новинка була описана в статті, опублікованій в Праці Національної академії наук Сполучених Штатів Америки (PNAS).

Двоє дослідників з Інституту хімії при Державному університеті Кампінаса (IQ-Unicamp) брали участь у дослідженні у співпраці з дослідниками з Великобританії (Університет Портсмута) та США (Національна лабораторія відновлюваної енергії). Це аспірант Родріго Леандро Сільвейра та його науковий керівник, головний професор та декан відділу досліджень Unicamp Мунір Саломао Скаф.

«Поліетилентерефталат, який в основному використовується у виробництві пляшок для напоїв, також широко використовується у виробництві одягу, килимів та інших предметів. У нашому дослідженні ми охарактеризували тривимірну структуру ферменту, здатного перетравлювати цей пластик, ми сконструювали його, підвищуючи його здатність до деградації, і ми продемонстрували, що він також активний у поліетилен-2,5-фурандікарбоксилаті (PEF), а замінник ПЕТ, виробленого з відновлюваної сировини», – сказав Сільвейра Agência FAPESP.

Інтерес до PETase виник у 2016 році, коли група японських дослідників на чолі з Шосуке Йошида виявила новий вид бактерій, Ideonella sakaiensis, здатний використовувати поліетилентерефталат як джерело вуглецю та енергії – іншими словами, здатний харчуватися ПЕТ. На сьогоднішній день це єдиний відомий організм з такою здатністю. Він буквально росте на ПЕТ.

«Окрім виявлення Ideonella sakaiensis, японці виявили, що він виробляє два ферменти, які виділяються в навколишнє середовище. Одним із секретованих ферментів була саме ПЕТаза. Оскільки він має певний ступінь кристалічності, PET є полімером, який дуже важко розкладати. Технічно ми використовуємо термін «непокірність», щоб назвати властивість певних щільно упакованих полімерів, щоб протистояти деградації. ПЕТ є одним із них. Але PETase атакує його і розщеплює на невеликі одиниці - моно(2-гідроксиетил)терефталева кислота (MHET). Одиниці MHET потім перетворюються на терефталеву кислоту [за допомогою другого ферменту] і поглинаються та метаболізуються бактеріями», – сказав Сільвейра.

Усі відомі живі істоти використовують біомолекули для виживання. Всі, крім Ideonella sakaiensis, яка встигає використовувати синтетичну молекулу, вироблену людьми. Це означає, що ця бактерія є результатом зовсім недавнього еволюційного процесу, який відбувся протягом останніх кількох десятиліть. Він зумів адаптуватися до полімеру, який був розроблений на початку 1940-х років і почав використовуватися в промислових масштабах лише в 1970-х. Для цього PETase є ключовим елементом.

«ПЕТаза виконує найважчу частину, яка руйнує кристалічну структуру та деполімеризує PET в MHET. Робота другого ферменту, того, що перетворює МГЕТ в терефталеву кислоту, вже значно простіша, оскільки його субстрат утворений мономерами, до яких фермент має легкий доступ, оскільки вони дисперговані в реакційному середовищі. Тому дослідження були зосереджені на ПЕТазі», – пояснив Сільвейра.

Наступним кроком було детальне вивчення ПЕТази, і це був внесок нового дослідження. «Нашою метою було з’ясувати, що дало PETase здатність робити те, що інші ферменти не були в змозі зробити дуже ефективно. Для цього першим кроком було отримання тривимірної структури цього білка», – сказав він.

«Отримати тривимірну структуру означає знайти координати x, y і z кожного з тисяч атомів, які складають макромолекулу. Наші британські колеги виконали цю роботу, використовуючи відомий і широко поширений метод, який називається дифракцією рентгенівських променів», – пояснив він.

Модифікований фермент краще зв’язується з полімером

Після того, як була отримана тривимірна структура, дослідники почали порівнювати ПЕТазу з спорідненими білками. Найближчим є кутиназа від бактерії Thermobifida fusca, яка руйнує кутин, своєрідний природний лак, який покриває листя рослин. Певні патогенні мікроорганізми використовують кутинази, щоб зламати кутиновий бар’єр і привласнити поживні речовини, присутні в листках.

Зображення: структура PETase, синього кольору, з ланцюгом PET (жовтим), прикріпленим до його активного центру, де вона буде руйнуватися. Прес-реліз/Родріго Леандро Сільвейра.

«Ми виявили, що в області ферменту, де відбуваються хімічні реакції, так званому «активному місці», ПЕТаза мала деякі відмінності по відношенню до кутинази. Він має більш відкритий активний сайт. Завдяки комп’ютерному моделюванню – і це була частина, яку я зробив найбільше – ми змогли вивчити молекулярні рухи ферменту. У той час як кристалографічна структура, отримана за допомогою дифракції рентгенівських променів, надає статичну інформацію, моделювання дає змогу отримати динамічну інформацію та виявити специфічну роль кожної амінокислоти в процесі деградації ПЕТ», – пояснив дослідник з IQ-Unicamp.

Фізика руху молекул є результатом електростатичного тяжіння і відштовхування величезного масиву атомів і температури. Комп’ютерне моделювання дозволило нам краще зрозуміти, як PETase зв’язується та взаємодіє з PET.

«Ми виявили, що ПЕТаза і кутиназа мають дві різні амінокислоти в активному центрі. Використовуючи процедури молекулярної біології, ми потім виробляємо мутації в PETase з метою перетворення її в кутиназу», – сказав Сільвейра.

«Якби ми змогли це зробити, ми б показали, чому PETase є PETase, тобто ми б знали, які компоненти надають їй таку своєрідну властивість руйнувати PET. Але, на наш подив, намагаючись придушити особливу активність ПЕТази, тобто намагаючись перетворити ПЕТазу в кутиназу, ми виробляємо ще більш активну ПЕТазу. Ми прагнули зменшити активність, а натомість збільшили», – сказав він.

Це вимагало подальших обчислювальних досліджень, щоб зрозуміти, чому мутантна PETase була кращою, ніж оригінальна PETase. За допомогою моделювання та моделювання можна було побачити, що зміни, що виробляються в PETase, сприяють з’єднанню ферменту з субстратом.

Модифікований фермент краще зв’язується з полімером. Це з’єднання залежить від геометричних факторів, тобто від типу «ключ і замок» між двома молекулами. Але також термодинамічні фактори, тобто взаємодії між різними компонентами ферменту та полімеру. Елегантний спосіб описати це — сказати, що модифікована ПЕТаза має «більшу спорідненість» з субстратом.

З точки зору майбутнього практичного застосування, отримання інгредієнта, здатного руйнувати тонни пластикових відходів, дослідження було величезним успіхом. Але питання про те, що робить PETase PETase, залишається без відповіді.

«Кутиназа має амінокислоти а і b. ПЕТаза має амінокислоти x і y. Ми уявляємо, що, обмінюючи x і y на a і b, ми зможемо перетворити ПЕТазу в кутиназу. Замість цього ми виробляємо покращену ПЕТазу. Іншими словами, дві амінокислоти не є поясненням диференційної поведінки двох ферментів. Інша справа», – сказав Сільвейра.

поточна еволюція

Кутиназа – це стародавній фермент, тоді як ПЕТаза – це сучасний фермент, що виникає в результаті еволюційного тиску, який дозволив Ideonella sakaiensis адаптуватися до середовища, яке містить лише або переважно поліетилентерефталат як джерело вуглецю та енергії.

Серед багатьох бактерій, які не можуть використовувати цей полімер, деяка мутація породила вид, якому вдалося це зробити. Ця бактерія почала розмножуватися і рости набагато більше за інших, тому що їй було достатньо їжі. Завдяки цьому вона розвивалася. Принаймні таке пояснення надає стандартна еволюційна теорія.

«Той факт, що ми отримали кращий фермент, зробивши невелику зміну, переконливо свідчить про те, що ця еволюція ще не завершена. Існують ще нові еволюційні можливості, які необхідно зрозуміти та дослідити, з метою отримання ще більш ефективних ферментів. Покращена PETase – це не кінець шляху. Це лише початок», – сказав Сільвейра.

З огляду на застосування, наступним кроком є ​​перехід від лабораторного до промислового масштабу. Для цього знадобляться інші дослідження, пов'язані з проектуванням реакторів, оптимізацією процесів та зниженням витрат.