lovesouthernsocial.com

Открытие международной группы ученых, в которую входят двое бразильцев, может помочь свести к минимуму загрязнение, вызванное этим материалом.

Международная группа ученых, в которой участвуют два бразильца из Университета Кампинаса (Unicamp), сумела улучшить работу ПЭТазы, фермента, способного питаться полиэтилентерефталатом, ПЭТ-пластиком. После того, как в 2016 году у нового вида бактерий была обнаружена ПЭТаза, группа исследователей работала над получением структуры фермента и пониманием того, как он работает. В процессе, случайно, они создали мутацию фермента, которая имеет еще большее сродство к ПЭТ, то есть с большим потенциалом разрушения пластика.

Эта работа имеет огромный потенциал для практического использования, поскольку, по оценкам, ежегодно в океаны выбрасывается от 4,8 до 12,7 миллиона тонн пластика, и эта цифра, вероятно, будет только расти. Пластмассы, которые накапливаются даже на самых удаленных пляжах планеты, используются таким образом именно из-за их устойчивости к деградации, которая больше всего угрожает окружающей среде. Например, после выбрасывания ПЭТ-бутылка может оставаться в окружающей среде в течение 800 лет - в дополнение к растущей и вызывающей тревогу проблеме микропластика.

• Понять влияние пластиковых отходов на окружающую среду в пищевой цепочке.
• Каково происхождение пластика, загрязняющего океаны?

При всем этом легко понять большой интерес, вызванный открытием фермента, способного переваривать полиэтилентерефталат. Этот фермент, называемый ПЭТаза, теперь увеличил свою способность разрушать пластик. Новинка была описана в статье, опубликованной в Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки (PNAS).

В исследовании приняли участие два исследователя из Института химии Государственного университета Кампинаса (IQ-Unicamp) в сотрудничестве с исследователями из Соединенного Королевства (Университет Портсмута) и США (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии). Это докторант Родриго Леандро Силвейра и его научный руководитель, главный профессор и декан отдела исследований Unicamp Мунир Саломао Скаф.

«В основном используемый при производстве бутылок для напитков, полиэтилентерефталат также широко используется в производстве одежды, ковров и других предметов. В нашем исследовании мы охарактеризовали трехмерную структуру фермента, способного переваривать этот пластик, мы разработали его, увеличив его способность к разложению, и мы продемонстрировали, что он также активен в полиэтилен-2,5-фурандикарбоксилате (PEF), a заменитель ПЭТ, произведенный из возобновляемого сырья », - сказала Сильвейра Агенсии ФАПЕСП.

Интерес к ПЭТазе возник в 2016 году, когда группа японских исследователей во главе с Шосуке Ёсида определила новый вид бактерий, Ideonella sakaiensis, способных использовать полиэтилентерефталат в качестве источника углерода и энергии - другими словами, способных питаться ПЭТ. На сегодняшний день это единственный известный организм с такой способностью. Он буквально растет на ПЭТ.

"Помимо определения Ideonella sakaiensis, японцы обнаружили, что он производит два фермента, которые выделяются в окружающую среду. Одним из секретируемых ферментов была именно ПЭТаза. Поскольку ПЭТ имеет определенную степень кристалличности, это полимер, который очень трудно разложить. Мы технически используем термин «стойкость», чтобы обозначить свойство, которое определенные плотно упакованные полимеры должны противостоять разложению. ПЭТ - один из них. Но ПЭТаза атакует его и расщепляет на небольшие единицы - моно (2-гидроксиэтил) терефталевую кислоту (MHET). Затем единицы MHET превращаются в терефталевую кислоту [вторым ферментом], абсорбируются и метаболизируются бактериями », - сказал Силвейра.

Все известные живые существа используют биомолекулы для выживания. Все, кроме Ideonella sakaiensis, в которой используется синтетическая молекула, произведенная человеком. Это означает, что эта бактерия является результатом совсем недавнего эволюционного процесса, который происходил в течение последних нескольких десятилетий. Ему удалось адаптироваться к полимеру, который был разработан в начале 1940-х годов и начал использоваться в промышленных масштабах только в 1970-х. Для этого ПЭТаза является ключевым элементом.

«ПЭТаза выполняет самую сложную часть, которая разрушает кристаллическую структуру и деполимеризует ПЭТ в MHET. Работа второго фермента, того, который превращает MHET в терефталевую кислоту, уже намного проще, поскольку его субстрат образован мономерами, к которым фермент имеет легкий доступ, поскольку они диспергированы в реакционной среде. Поэтому исследования были сосредоточены на ПЭТазе », - пояснил Сильвейра.

Следующим шагом было детальное изучение ПЭТазы, и это было вкладом нового исследования. «Мы сосредоточились на том, чтобы выяснить, что дало ПЭТазе возможность делать то, что другие ферменты не могли делать очень эффективно. Для этого первым шагом было получение трехмерной структуры этого белка », - сказал он.

«Получение трехмерной структуры означает нахождение координат x, y и z каждого из тысяч атомов, составляющих макромолекулу. Наши британские коллеги выполнили эту работу, используя хорошо известный и широко используемый метод, называемый дифракцией рентгеновских лучей », - пояснил он.

Модифицированный фермент лучше связывается с полимером

Как только трехмерная структура была получена, исследователи начали сравнивать ПЭТазу с родственными белками. Самая близкая вещь - кутиназа из бактерии Thermobifida fusca, которая разлагает кутин, своего рода натуральный лак, покрывающий листья растений. Некоторые патогенные микроорганизмы используют кутиназы для преодоления кутинового барьера и усвоения питательных веществ, присутствующих в листьях.

Изображение: структура ПЭТазы, синего цвета, с цепочкой ПЭТ (желтым цветом), прикрепленной к ее активному сайту, где она будет разрушаться. Пресс-релиз / Родриго Леандро Силвейра.

«Мы обнаружили, что в области фермента, где происходят химические реакции, в так называемом« активном центре », ПЭТаза имеет некоторые отличия по сравнению с кутиназой. У него более открытый активный сайт. С помощью компьютерного моделирования - а именно в этой части я внес наибольший вклад - мы смогли изучить молекулярные движения фермента. В то время как кристаллографическая структура, полученная с помощью дифракции рентгеновских лучей, предоставляет статическую информацию, моделирование позволяет получить динамическую информацию и выявить конкретную роль каждой аминокислоты в процессе разложения ПЭТ », - пояснил исследователь из IQ-Unicamp.

Физика движения молекул является результатом электростатического притяжения и отталкивания огромного массива атомов и температуры. Компьютерное моделирование позволило нам лучше понять, как ПЭТаза связывается и взаимодействует с ПЭТ.

«Мы обнаружили, что ПЭТаза и кутиназа содержат две разные аминокислоты в активном центре. Затем, используя процедуры молекулярной биологии, мы производим мутации в ПЭТазе с целью превращения ее в кутиназу », - сказал Сильвейра.

«Если бы мы смогли это сделать, мы бы показали, почему ПЭТаза является ПЭТазой, то есть мы бы знали, какие компоненты придают ей такое особенное свойство разлагать ПЭТ. Но, к нашему удивлению, пытаясь подавить специфическую активность ПЭТазы, то есть пытаясь преобразовать ПЭТазу в кутиназу, мы производим еще более активную ПЭТазу. Мы стремились снизить активность, а вместо этого увеличили ее », - сказал он.

Это потребовало дальнейших компьютерных исследований, чтобы понять, почему мутантная ПЭТаза лучше исходной ПЭТазы. С помощью моделирования и моделирования можно было увидеть, что изменения, производимые в ПЭТазе, способствуют связыванию фермента с субстратом.

Модифицированный фермент лучше связывается с полимером. Эта связь зависит от геометрических факторов, то есть от типа соответствия между двумя молекулами «ключ и замок». Но также и термодинамические факторы, то есть взаимодействия между различными компонентами фермента и полимера. Элегантный способ описать это - сказать, что модифицированная ПЭТаза имеет «большее сродство» к субстрату.

С точки зрения будущего практического применения, получения ингредиента, способного разлагать тонны пластиковых отходов, исследование имело огромный успех. Но вопрос о том, что делает ПЭТазу ПЭТазой, остается без ответа.

«Кутиназа содержит аминокислоты a и b. ПЭТаза имеет аминокислоты x и y. Мы предполагаем, что, заменив x и y на a и b, мы сможем превратить ПЭТазу в кутиназу. Вместо этого мы производим улучшенную ПЭТазу. Другими словами, две аминокислоты не являются объяснением различного поведения двух ферментов. Другое дело, - сказала Сильвейра.

продолжающаяся эволюция

Кутиназа - это древний фермент, а ПЭТаза - современный фермент, возникший в результате эволюционного давления, которое сделало возможным Ideonella sakaiensis адаптироваться к среде, которая содержит только или в основном полиэтилентерефталат в качестве источника углерода и энергии.

Среди многих бактерий, неспособных использовать этот полимер, некоторые мутации привели к появлению видов, которым это удалось. Эта бактерия начала размножаться и расти намного больше, чем другие, потому что у нее было достаточно пищи. С этим она развивалась. По крайней мере, это объяснение дается стандартной эволюционной теорией.

«Тот факт, что мы получили лучший фермент путем внесения небольшого изменения, убедительно свидетельствует о том, что эта эволюция еще не завершена. Есть еще новые эволюционные возможности, которые необходимо понять и изучить с целью получения еще более эффективных ферментов. Улучшение PETase - это еще не конец пути. Это только начало », - сказала Сильвейра.

Что касается применения, следующим шагом будет переход от лабораторных к промышленным масштабам. Для этого потребуются другие исследования, связанные с реакторной инженерией, оптимизацией процесса и снижением затрат.