Пластик является основой многих современных отраслей. Эти недорогие, легкие, прочные и универсальные материалы используются в сельском хозяйстве, упаковке, строительстве, здравоохранении и так далее.
Неудивительно, что мы производим и выбрасываем больше пластика, чем когда-либо: с 2000 по 2019 год производство пластика и отходов удвоилось, достигнув 460 миллионов и 353 миллионов тонн соответственно.
Из всех пластиковых отходов, произведенных в 2019 году, только 9% перерабатывалось, в то время как остальные 91% были либо отправлены на свалку, либо сожжены, либо иным образом неправильно утилизированы/неубраны (например, отправлены на неконтролируемые свалки). В настоящее время на производство пластика приходится 3,4% глобальных выбросов парниковых газов, а к 2050 году на его долю будет приходиться почти 13% мирового углеродного бюджета, что равно совокупным выбросам 615 угольных электростанций.
Долгосрочное решение этих проблем заключается в циркуляризации экономики пластмасс: переход от одноразовых, не биоразлагаемых пластиков на основе нефтехимии к более экологичным альтернативам.
Полигидроксиалканоаты (PHA) представляют собой сложные полиэфиры, вырабатываемые различными микроорганизмами в качестве внутриклеточных запасов углерода и энергии в ответ на дисбаланс питательных веществ и окислительно-восстановительных потенциалов, световой стресс и другие раздражители окружающей среды.
PHA включают в себя более 150 мономеров с различными физическими и структурными свойствами, хотя они, как правило, являются термопластичными, биосовместимыми, биоразлагаемыми, нетоксичными, инертными и гидрофобными.
Эти свойства делают PHA подходящим кандидатом на биопластик с потенциальными применениями в упаковке, сельском хозяйстве, биомедицине и фармацевтике. Однако в этой сфере работают лишь некоторые коммерческие компании, так как промышленное производство страдает от низкого выхода, зависимости от энергоемких или дорогостоящих ресурсов и узкого метаболизма. Кроме того, устранение этих барьеров на пути выхода на рынок в одиночку недостаточно. Решения также должны учитывать более широкие климатические проблемы, например, выбросы парниковых газов и конкуренцию с сельским хозяйством за органическое сырье для обеспечения гетеротрофного биопроизводства.
Два новых исследования, проведенных биологами из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, подчеркивают один потенциальный источник материалов, меняющих правила игры: фиолетовые бактерии, которые при небольшом поощрении могут действовать как микроскопические фабрики для биопластика, пишет Крис Вулстон в релизе Университета Вашингтона в Сент-Луисе.
Исследование, проведенное аспирантом Эриком Коннерсом, показало, что два относительно малоизвестных вида фиолетовых бактерий обладают способностью производить полигидроксиалканоаты (PHA), природные полимеры, которые могут быть очищены для производства пластика.
Другое исследование, проведенное руководителем исследовательской лаборатории Тахиной Ранайвоаризоа, показало, что генная инженерия может заставить хорошо изученный, но печально известный своим упрямством вид фиолетовых бактерий резко увеличить производство PHA.
Коннерс и Ранаивоаризоа работают в лаборатории Арпиты Бозе, доцента биологии в области искусств и наук и автора нового исследования. «Существует огромный глобальный спрос на биопластик. Их можно производить без добавления CO2 в атмосферу и полностью биоразлагаемы. Эти два исследования показывают важность использования нескольких подходов к поиску новых способов производства ценного материала», - говорит Бозе.
Фиолетовые бактерии – это особая группа водных микробов, известных своей приспособляемостью и способностью создавать полезные соединения из простых ингредиентов. Подобно зеленым растениям и некоторым другим бактериям, они могут превращать углекислый газ в пищу, используя энергию солнца. Но вместо зеленого хлорофилла они используют другие пигменты для улавливания солнечного света.
Бактерии естественным образом производят PHA и другие строительные блоки биопластика для хранения дополнительного углерода. При правильных условиях они могут продолжать производить эти полимеры бесконечно.
Как сообщают биологи из Вашингтонского университета в журнале Microbial Biotechnology, два малоизвестных вида фиолетовых бактерий из рода Rhodomicrobium продемонстрировали замечательную готовность к производству полимеров, особенно при питании небольшим количеством электричества и питании азотом.
«Стоит взглянуть на бактерии, которые мы раньше не рассматривали. Мы даже близко не приблизились к реализации их потенциала», — сказал Коннерс.
Бактерии родомикробия обладают необычными свойствами, которые делают их интригующими соперниками в качестве естественных фабрик по производству биопластика. «Это уникальная бактерия, которая внешне сильно отличается от других фиолетовых бактерий. В то время как некоторые виды плавают в культурах в виде отдельных клеток, этот конкретный род образует взаимосвязанные сети, которые, по-видимому, особенно хорошо приспособлены для производства PHA», - пояснил Коннерс. В то время как некоторые виды плавают в культурах в виде отдельных клеток, этот конкретный род образует взаимосвязанные сети, которые, по-видимому, особенно хорошо приспособлены для производства PHA.
Другие виды бактерий также могут производить биопластиковые полимеры с некоторой помощью. Как сообщается в журнале Applied and Environmental Microbiology, исследователи из Вашингтонского университета использовали генную инженерию, чтобы получить впечатляющие уровни PHA из Rhodopseudomonas palustris TIE-1, хорошо изученного вида, обычно неохотно производящего полимеры. «TIE-1 — отличный организм для изучения, но исторически он не был лучшим для производства PHA», - говорит Ранайвоаризоа.
Несколько генетических изменений помогли увеличить выход PHA, но один подход оказался особенно успешным. Исследователи увидели впечатляющие результаты, когда ввели ген, который увеличил количество природного фермента RuBisCO, катализатора, который помогает растениям и бактериям улавливать углерод из воздуха и воды.
С помощью сверхзаряженного фермента обычно вялые бактерии превратились в настоящие электростанции PHA. Исследователи оптимистично настроены на то, что подобный подход может быть возможен с другими бактериями, которые могут производить еще более высокие уровни биопластика.
В ближайшем будущем Бозе планирует более внимательно изучить качество и возможные варианты использования полимеров, производимых в ее лаборатории: «Мы надеемся, что эти биопластики приведут к реальным решениям в будущем».
Источник: Washington University in St. Louis. Автор: Крис Вулстон.
Арпита Бозе работает с Rhodopseudomonas palustris TIE-1, пурпурной бактерией с необычной метаболической гибкостью, включая способность вытягивать электроны из железа или напрямую из электрода. Автор фото: Джо Анхелес/WashU.
