Иллюстративное изображение: пластиковые полимеры из ПЭТ. Getty Images

Чтобы разбить пластиковую бутылку, науке нужен не молоток, а микроскопический скальпель.

Исследователи из Австралийского национального университета (ANU) обнаружили, что замена одного атома в ферменте, расщепляющем пластик, может повысить его эффективность.

Эта модификация позволяет ферменту расщеплять полиэтилентерефталат (ПЭТ) почти в два раза быстрее, чем обычно, и при этом он не плавится при нагревании. Таким образом, это небольшая модификация, которая может сыграть огромную роль для планеты, утопающей в мусоре.

Исследование показало, что добавление синтетических, неканонических аминокислот, называемых азатриптофанами, в ферменты, расщепляющие пластик (ПЭТ-азы), может решить проблему компромисса между каталитической активностью и термостабильностью.

«Ферменты можно модифицировать снова и снова, чтобы повысить их эффективность, но в какой-то момент вы достигнете точки, когда повышение их активности может привести к снижению стабильности, и наоборот, — говорит доктор Элви Абделькадер, ведущий автор исследования. — Мы показали, что можно выйти за этот предел, внеся невероятно точное изменение — вплоть до одного атома — при этом в значительной степени сохранив структуру и стабильность фермента».

Одноатомный раствор

Биоинженеры, пытающиеся бороться с загрязнением пластиком, уже давно столкнулись с проблемой при оптимизации ферментов, расщепляющих полиэтилентерефталат. Для повышения скорости расщепления пластика ферментом обычно требовались обширные генетические модификации, которые нарушали его структурную целостность. Использование только 20 природных аминокислот для ускорения расщепления пластика почти всегда приводило к разрушению фермента при высоких температурах.

В частности, стандартную аминокислоту триптофан заменили синтетическим аналогом под названием азатриптофан. Визуально и химически они практически идентичны, за исключением того, что в синтетической версии одна пара углерод-водород заменена на атом азота.

Этот атомный толчок все изменил. Усовершенствованный фермент измельчил ПЭТ пластик в два раза быстрее, сохранив его термостойкость.

«Опираясь на опыт команды в области сайт-специфического введения неканонических аминокислот в белки, мы можем вносить небольшие химические изменения, которые позволяют нам настраивать белки с точностью, которой раньше было сложно достичь», — сказал профессор Томас Хубер.

Глобальный пластиковый кризис

Чтобы понять, работает ли их «атомная хирургия», команде пришлось заново изобрести метод тестирования.

Стандартные методы измерения разрушения пластика чрезвычайно медленные, поскольку твердый ПЭТ-пластик не растворяется, из-за чего тестирование может растянуться на несколько дней. Чтобы устранить это препятствие, исследовательская группа Австралийского национального университета разработала флуоресцентный метод под названием PETra. В этом методе используется растворимый жидкий заменитель, который светится во время реакции, что сокращает время измерения до нескольких минут и позволяет быстро оценить большое количество вариантов ферментов.

Ежегодно в мире образуется более 350 миллионов тонн отходов из полиэтилентерефталата. Однако традиционные методы утилизации, такие как захоронение на полигонах и сжигание, приводят к серьезному загрязнению окружающей среды и нерациональному использованию ценных ресурсов. Эта новая технология может помочь решить проблему.

В будущем их можно будет использовать не только для переработки отходов. Природа ограничивает жизнь всего 20 стандартными аминокислотами.

Но теперь ученые могут настраивать белки с хирургической точностью, расширив этот инструментарий за счет специальных синтетических строительных блоков.

Та же одноатомная стратегия вскоре может быть использована для создания сверхэффективных ферментов для экологичного производства, усовершенствованного биотоплива и таргетной медицинской терапии.

Исследование было опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition.