В последние годы переработка пластика с помощью ферментов стала популярной альтернативой традиционным методам — механическому дроблению или химическому расщеплению, которые требуют много энергии. Ферменты могут разбирать полимеры, например ПЭТ (из которого делают бутылки и упаковку), на простые компоненты. Ученые придумали, как упростить этот процесс: они поместили ферменты в наноразмерные белковые капсулы, которые сами образуются в бактериях. Это продлевает срок работы ферментов и делает их удобнее в использовании.

Результаты опубликованы в издании Journal of Hazardous Materials.

Главная проблема промышленного применения ферментов — дороговизна их производства и сложность извлечения после реакции. Обычно их очищают, а потом закрепляют на твердых носителях. Новый метод позволяет встроить фермент прямо в наносферы, пока он синтезируется в бактерии E. coli. Все происходит в один этап — никакой дополнительной очистки или носителей.

В основе технологии — метод IC-Tagging, разработанный группой профессора Хосе Мануэля Мартинеса Костаса из CiQUS. Он использует вирусный белок muNS-Mi, который сам собирается в наноструктуры внутри клеток. Если фермент пометить короткой IC-последовательностью, он автоматически встраивается в эти структуры. Раньше так делали для других катализаторов, но впервые применили для высокоэффективного фермента LCC, который быстро разлагает ПЭТ.

IC-Tagging — метод «метки», который заставляет ферменты самостоятельно встраиваться в наночастицы. Представьте, что у каждого фермента есть магнит, а внутри бактерии — металлические шарики. Как только фермент синтезируется, магнит притягивает его к шарику, и получается готовая рабочая система.

Ученые протестировали систему на реальном пластике: пищевых контейнерах и лабораторной упаковке. За 72 часа фермент разложил более 90% материала. При этом его можно было использовать повторно — после двух циклов активность почти не снижалась.

Наши результаты превосходят все, что до этого делали с иммобилизованными ферментами в лабораториях, — говорит Адриан Лопес Тейхейро, первый автор исследования. — Это серьезный шаг к промышленной переработке пластика ферментами и переходу к циклической экономике.

Польза исследования

• Главный плюс — снижение стоимости переработки. Ферменты больше не нужно синтезировать, очищать и закреплять на носителях отдельно — все происходит автоматически в бактериях. Это удешевляет процесс в разы.
• Второе — устойчивость. Ферменты в нанокапсулах работают дольше и выдерживают повторное использование. Значит, на заводе не придется постоянно добавлять новые порции.
• Третье — масштабируемость. Бактерии E. coli легко выращивать в биореакторах, а значит, технологию можно быстро внедрить на существующих производствах.

Исследование не учитывает побочные продукты реакции. При разложении ПЭТ могут образовываться токсичные соединения — например, терефталевая кислота. Если их не удалять, вся система станет экологически рискованной. Также неясно, как поведет себя технология с грязным пластиком (например, с остатками пищи или красителей).

Ранее ученые сформулировали три правила создания идеальных ферментов.