Когда-нибудь искусственные организмы помогут нам лучше справляться с переработкой полимеров.
Ideonella sakaiensis - это всего лишь один организм, который может использовать пластик в качестве топлива. Брайан Клатч
Молекулярный биолог Кристофер Джонсон недавно болтал на вечеринке, болтая с другим гостем о своих исследованиях, как это часто делают ученые. Джонсон работает над разрушением пластика, который, как правило, очень устойчив к таким вещам.
Женщина, с которой он разговаривал на этом конкретном предсвадебном вечере, ответила, что она чувствовала себя ошеломленной-безнадежной-из-за всей ситуации: как мы не можем перестать использовать пластмассы, как они заполняют свалки, как их микрочастицы проникают в океаны.
Потрясен, подумал Джонсон. Безнадежно.
«Я очень далек от этой точки зрения», - говорит Джонсон, вспоминая свою реакцию.
Это потому, что пластика происходит не только с Джонсоном. Он происходит с ними. Джонсон - научный сотрудник Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, и в прошлом году он и его коллеги создали биологический фермент, который может эффективно пережевывать одноразовые пластмассы, такие как те, из которых делают бутылки для воды и контейнеры для мыла. Команда надеется, что сможет создать мир, в котором люди будут продолжать использовать этот избыточный материал, не оказываясь при этом буквально или фигурально перегруженным им. В этом мире, как часть более широкой и надежной системы переработки, микроорганизмы будут переваривать полимеры в их химические компоненты, чтобы они могли получать прибыль в виде новых и лучших продуктов.
В настоящее время переработка на самом деле не превращает пластик во что-либо с химической точки зрения: он просто измельчает отходы на более мелкие кусочки, как бумагу на полоски. Затем производители воссоздают эти детали в пластике более низкого качества. При биологической переработке, как называют ее специалисты в этой области, организмы, поедающие пластик, возвращают вам строительные блоки для производства новых материалов и, в конечном итоге, товаров.
Группа Джонсона, в частности, захватила воображение публики, потому что ее открытие было случайным и стало отличной историей. Скептики опасались, что эти усилия могут иметь неприятные последствия - мошенники, пожирающие ГМО, могут начать поглощать не те полимеры. Как приборная панель вашего автомобиля. Пока вы за рулем. Это крайне маловероятно, но не совсем ошибочно.
В конце концов, весь этот пластиковый мусор сам по себе является непредвиденным последствием. Синтетический материал частично использовался как замена слоновой кости для спасения слонов от убоя. Но это нововведение также привело нас туда, где мы находимся сегодня: подавленными и безнадежными. Количество пластика, которое люди производят каждый год - более 300 миллионов тонн - примерно в пять раз превышает вес всех людей вместе взятых.
Большинство наших современных полимеров мы используем только один раз: в бутылках для воды, бутылках для шампуня, молочных бутылках, пакетах для чипсов, пакетах для продуктов, мешалках для кофе. Каждый год около 9 миллионов тонн мусора попадает в море. Вы, наверное, слышали о Большом тихоокеанском мусорном пятне: области в северной части океана, где закрученные течения собирают весь этот мусор. Но знаете ли вы, что к 2050 году в открытом море будет больше пластика, чем рыбы?
Цивилизация плохо справляется с уборкой после себя, отчасти, считают Джонсон и его команда, потому что никогда не было больших экономических стимулов для этого. Но если вы можете взять эти пластиковые строительные блоки и собрать из них нечто более ценное, чем оригинал - например, автозапчасти, ветряные турбины или даже доски для серфинга, - вы сможете изменить исчисление переработки. Компании могут преуспеть для себя, принося пользу миру.
---
Большая часть группы случайных ферментовработает в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Голдене, штат Колорадо. Кампус примыкает к предгорьям Скалистых гор, которые быстро взмывают из небытия в пики высотой 14 000 футов. Солнечные батареи занимают крыши почти всех зданий. Внутри здания Лаборатории полевых испытаний, где работает группа, по потолкам и стенам проходит спектр инженерных труб ROYGBIV. Лаборатории, полные холодильников, инкубаторов и мощных микроскопов, гудят за дверями доступа по картам. А в небольшом конференц-зале на первом этаже матрица экранов освещает четырех ученых.
Они вместе с коллегами из Флориды, Англии и Бразилии образуют своего рода команду мечты для этого конкретного исследования в области био-переработки: Николас Роррер создает полимеры. Грегг Бекхэм пытается выяснить, как бактериальные и грибковые химические вещества расщепляют такие соединения, как целлюлоза, основной ингредиент клеточных стенок растений и многих овощей. Брайон Донохью изучает, как работают клетки с ферментами, поедающими полимеры. Джонсон разрабатывает новые типы клеток, которые выделяют эти ферменты. Эти области знаний являются ключом к изучению того, как бактерии удовлетворяют аппетит к пластику, и как манипулировать ими, чтобы они лучше перекусывали.
На одном из экранов позади них фермент скользит по крупному плану целлюлозы, отгрызая отдельные нити и выплевывая их обратно в виде кусочков сахара - окончательный опыт поедания в машине. Эта симуляция, говорят ученые, аналогична тому, как полимер встречает свою пару.
Экипаж впервые узнал об этой концепции, когда в мартовском выпуске журнала Science за 2016 год появилась новость о том, что исследователи в Японии обнаружили странный вид бактерий в образцах почвы возле завода по переработке бутылок в городе Сакаи. Он может проглотить полиэтилентерефталат, широко известный как ПЭТ, который производители широко используют для изготовления пластиковых бутылок и контейнеров. Группа ученых во главе с Кенджи Миямото, биологом из Университета Кейо, обнаружила, что организм выделяет фермент, который они назвали ПЭТазой, который расщепляет полимер на химические фрагменты. Они назвали этот удивительный организм Ideonella sakaiensis в честь его родного города. Тем не менее, не хочу осуждать Идеонеллу, но она работала недостаточно быстро: учитывая шесть недель и тропические температуры, она могла проесть пленку ПЭТ. Не совсем то, что нужно для эффективных заводов по переработке. Кроме того, для его роста требовался тщательный уход и подкормка.
Вскоре после появления статьи в журнале Бекхэм оказался в Англии, попивая пиво с Джоном Макгиханом из Портсмутского университета, коллегой по исследованию целлюлозы и экспертом по картированию структур крошечных ферментов. Они начали мозговой штурм, как объединить усилия, чтобы лучше понять, как ПЭТаза переваривает ПЭТ. В конце концов, в их работе уже рассматривалось, как натуральное разлагает натуральное - например, как бактерии и грибки используют ферменты для переваривания целлюлозы. Возможно, эта работа поможет им понять, как натуральное разрушает синтетическое.
После мозгового штурма эти двое наняли Джонсона, Донохью и Роррера, а также еще одного коллегу из Флориды, Ли Вудкока, чьи сложные компьютерные модели имитируют работу клеточных химических веществ. Затем они начали.
Во-первых, команде нужно было понять, как PETase разрушает выбранный пластик. Молекулы в полимере подобны соединенным кирпичикам Lego, которые можно просто разъединить. Для ПЭТ ПЭТаза является съемником. Но чтобы понять, как ПЭТаза может захватывать и скручивать молекулы пластика, команде требовалось достаточно фермента, чтобы иметь возможность нанести его на карту.
Вот где пригодился клеточный опыт Джонсона. Работая с сторонней компанией, они синтезировали ген, который производит ПЭТазу, чтобы позже его можно было внедрить в E. coli, одноклеточный организм, который быстро и легко выращивается в лаборатория. Он отправил генетический код через океан в лабораторию Макгихана. Там мутант-пищевой отравитель поел и начал выкачивать ПЭТазу.
МакГихан доставил фермент ПЭТазу в лабораторию со сверхмощным рентгеновским микроскопом, который использует свет в 10 миллиардов раз сильнее солнечного для исследования образцов и создания изображений атомного масштаба. Внутри экзотического микроскопа переохлажденные магниты направляли рентгеновские лучи до тех пор, пока ученые не смогли увидеть саму ПЭТазу, а не только ее эффект образования слизи.
Фермент на неискушенный взгляд напоминает дитя любви морской губки и человеческого мозга. Или, если вы очень удачливый биолог, он выглядит почти так же, как кутиназа, вытягивающий кутин, восковой полимер, покрывающий многие растения. Кутиназа имеет узкую U-образную ямку, которая точно так же врезается в кутин. У PETase такая же буква U, только шире, как у кутиназы в зеркале в доме смеха. PETase U врезается в ПЭТ, как две стороны ожерелья BFF.
Это просто, подумал Бекхэм в то время: фермент, рассуждал он, изначально эволюционировал, чтобы есть кутин, и явно адаптировался в присутствии такого количества мусора, чтобы иметь новую любимую еду.
Форма, функция и эволюционная идея в руках, команда представила свою статью для публикации в октябре 2017 года. Но история происхождения - их самая любимая часть - оказалась проблематичной. «Один из наших рецензентов сказал: «Нет, это нужно показать», - вспоминает Бекхэм.
Это будет паршивое занятие, подумал он. Казалось настолько очевидным, что кутиназа Дарвина превратилась в ПЭТазу. Но чтобы показать, как это произошло, им пришлось бы повернуть эволюционные часы вспять, сжав широкую ПЭТазу U обратно до крошечной кутиназы U, и в процессе, как они думали, сделать ее неспособной или, по крайней мере, менее способной жевать. пластик. Затем они изменили курс, превратив кутиназу обратно в ПЭТазу, показав, как одно стало другим.
Бекхэму придется съесть (и переварить) эти слова.
---
Команда начала первую половину эксперимента, превратив ПЭТазу обратно в кутиназу, в конце 2017 года. Сначала они изменили ДНК, которая производит фермент ПЭТазу. В частности, они мутировали две аминокислоты таким образом, что их замена превратилась в букву U, создав фермент, который был ближе к кутиназе. Со своей стороны, Роррер, парень из полимеров, начал собирать бутылки у своих коллег, в том числе у таких любимых сотрудников, как Diet Pepsi и Diet Dr Pepper. (Сегодня мусор все еще лежит на верхней части его кабинки.) Он использовал стандартный офисный дырокол, чтобы вырезать круги. Затем он поместил их рядом с версиями модифицированного фермента, ожидая, что, вернувшись, он обнаружит минимальный прогресс, если вообще будет.
Но этого не произошло. Когда Роррер вернулся через четыре дня, он обнаружил, что взломанный фермент не только работает, но и потребляет примерно на 30 процентов больше, чем ПЭТаза с завода по переработке отходов в Сакаи. Члены команды начали сомневаться в себе. «Может быть, я неправильно маркировал образцы», - подумал Роррер. Донохью, специалист по разрушению клеток, подозревал, что они перепутали образцы. Они повторили эксперимент еще два раза, но получили один и тот же результат: у нового фермента был хороший аппетит. Донохью вспоминает: «Я такой: «Думаю, мы должны в это поверить, хотя я не знаю, как это сделать».'”
Результат по-прежнему остается открытым, трансформировалась ли PETase из кутиназы так, как предполагала команда. Но неожиданный результат по-прежнему является хорошей новостью: это означает, что они могут улучшить то, что уже сделано эволюцией. «Природа не обязательно нашла окончательное решение», - говорит Бекхэм, инженер-химик.
Когда они объявили об открытии в апреле 2018 года, люди ухватились за его нелепость. Джон МакГихан получил награду Goop от псевдонаучного велнес-бренда Гвинет Пэлтроу. Он пытался отвергнуть ее, но отвергнуть Гвинет Пэлтроу невозможно. Но для этой группы одной известности было недостаточно. И немного улучшить PETase тоже не получилось. «Вероятно, здесь есть место, чтобы сделать его чертовски лучше», - говорит Бекхэм.
---
Ideonella sakaiensis, оказывается,далеко не единственный организм, который может использовать пластиковые отходы в качестве топлива. «Бактерии, вероятно, просто эволюционируют, чтобы поедать все, что их окружает», - говорит инженер-генетик Джонсон. Биологи уже несколько десятилетий знают, что существующие ферменты, такие как так называемые эстеразы, выделяемые микробами и грибками, могут расщеплять ПЭТ и нейлон.
Пластик, плавающий в Цюрихском озере, содержит четыре организма, готовых питаться полиуретаном. В океане исследователи из Индии обнаружили виды бактерий, которые могут разлагать поливиниловый спирт, придающий водонепроницаемость бумаге. Другая группа обнаружила грибок, чья кутиназа также поедает ПЭТ. Однако ни один из них не может работать достаточно быстро в масштабе, чтобы быть полезным для промышленности - пока. Ежегодно производится более 300 миллионов тонн пластика, поэтому организмы должны будут перерабатывать около 906 000 тонн за все дни, оканчивающиеся на «y», чтобы выполнить свою работу. За четыре дня растворить поверхность бутылки Diet Dr Pepper недостаточно быстро.
В поисках лучших поедателей полимеров команда мечты недавно набрала новых игроков из Университета штата Монтана, которые изучают экстремофилов, кипящих в ярких бассейнах Йеллоустона. Туристы, делающие селфи, выбрасывают в эти горячие источники много мусора. При таких температурах, иногда более 400 градусов, пластик плавится.
Для бактерии пережевывать перегретую дрянь - все равно, что набирать скорость: все происходит намного быстрее. Если ученые смогут найти или создать экстремофил, который любит погорячее и ест ПЭТ, то они на один шаг ближе к процессу, который работает достаточно быстро, чтобы быть полезным в реальном мире.
В этом сценарии будущий завод по переработке будет нагревать или измельчать пластик, затем бросать его в большую кастрюлю с горячей водой и добавлять немного ПЭТазы (или другого голодного фермента). В результате получится суп из многосложных ингредиентов: терефталевой кислоты и этиленгликоля, материалов, которые компании могут превращать в более прочные полимеры с более высокой стоимостью.
Во-первых, им нужен фермент получше. «Жизнь найдет способ», - говорит Бекхэм, улыбаясь, перефразируя «Парк Юрского периода». Тем не менее, природе может понадобиться помощь. Итак, команда начинает с использования секрета эволюции: случайной мутации. Иногда новый генетический код делает организм более приспособленным к окружающей среде, и микроб живет, чтобы передать эту неустойчивость своему потомству. Однако в лаборатории мы можем ускорить эволюцию, скажем, накормив потенциальных поедателей пластика только ПЭТ. Если они не садятся обедать, они голодают.
Команда также пытается создать новую жизнь, вводя ген PETase в бактерии, которые менее требовательны, чем Ideonella. Бекхэм открывает неопубликованную газету и прокручивает фотографии до и после. После четырех дней в пробирке с новым мутантом кусок дырявого пластика - это то, что он называет «жидкой смесью дерьма». «Дерьмо» - это жеваные пластиковые детали.
Иными словами, усилия работают. Глядя на свои фотографии, Бекхэм смеется и вспоминает ссылку, которую люди прислали ему, когда вышла первая статья команды. Он указывал на книгу 1971 года под названием «Мутант 59: Пожиратели пластика». В сказке вирус, растворяющий полимер, убивает космические корабли, разбивает самолеты, топит подводные лодки и вообще вызывает неконтролируемый хаос, уничтожая, казалось бы, весь пластик в мире.
Исследователи научной литературы планируют, чтобы созданные ими организмы оставались в лаборатории, в пробирках и, в конечном итоге, в промышленных процессах. Такие организмы могут даже уже существовать снаружи, эволюционировав по старинке. Помните, в мире есть бактерии, которые едят много других вещей, которые мы любим: металл, хлеб, сыр, нашу собственную кожу. А мы все еще здесь, грызем хлеб с сыром, сидя на металлических стульях. Имея многотысячелетнее преимущество, микробам еще не удалось захватить власть. Так что, если природа не станет заметно лучше и очень быстро (на создание неэффективной версии PETase ушло около 50 лет) или мошенник не устроит переворот, никакие крошечные звери не будут потрошить ваш каяк из Walmart в ближайшее время.
Бекхэм больше доверяет опасениям, что углерод, выделяемый во время пищеварения, в конечном итоге превращается в углекислый газ, парниковый газ, который способствует изменению климата. Но любое добавление затмит газы из других отраслей. Его группа не хочет ни мира с подогревом, ни мира без пластика.
Вместо этого они стремятся создать реальный экономический стимул для вторичного использования большинства полимеров. Сейчас на переработку выходит просто ПЭТ с более слабыми связями: из него сложно сделать еще одну бутылку, а его стоимость составляет примерно 75 процентов от стоимости исходного пластика. Он идет на текстиль или ковры. Обычно они попадают на свалки.
Биологическое разрушение пластика, тем не менее, производит компоненты, которые могут стать предшественниками дорогих материалов, таких как кевлар, который продается в два или три раза дороже, чем переработанный ПЭТ, и используется в устойчивых к нагрузкам продуктах, таких как сноуборды. Эти материалы дают компаниям основанную на деньгах причину для утилизации пластика. Новаторы могут даже использовать их для создания более летающих самолетов, более эффективных автомобилей и прочных и легких вещей, о которых мы еще не думали. Вещи, которые, возможно, вносят свой вклад в сокращение выбросов парниковых газов.
Этого мира не будет ни завтра, ни в следующем году. Но это обозримое будущее, синтезированное с помощью микробов команды мечты или других, и того, что природа привнесет на полимерный стол для пикника. Если им это удастся, мы сможем сосуществовать с пластиком, а не поверх его кучи.