Земля в прямом смысле «болеет» пластиком. За последние 75 лет человечество так густо засыпало почву пластиком, что в науке появился новый термин — пластисфера. Это искусственная среда обитания, которую микроорганизмы отчаянно пытаются колонизировать. Микробы «хотят» съесть пластик, видя в нем источник углерода, но не могут его переварить. По крайней мере, так было до недавнего времени.
В сентябре 2026 года биологи из Констанцского университета (Германия) обнаружили в лесном перегное уникальный фермент «Пакмэн» (Pac-Man enzyme), который способен полностью расщеплять биопластик и даже остатки антибиотиков. Фермент получил свое неофициальное название в честь культового персонажа видеоигры Pac-Man благодаря своему механизму действия. Подобно игровому Пакмэну, который непрерывно «поедает» точки на экране, этот фермент методично двигается по длинной молекулярной цепочке полимера, «откусывая» от нее по одному звену с самого края.
Успех открытия лег на стыке двух дисциплин. Все началось в лаборатории известного немецкого химика Стефана Мекинга, где его команда разработала инновационные биопластиковые материалы — длинноцепочечные алифатические полиэфиры (LCAP).
Затем в дело вступили биологи Гарри Лернер и Дэвид Шлехек. Чтобы проверить материал на прочность, они закопали образцы пленок LCAP на глубину 10 сантиметров в гумусовый слой лесной почвы Ботанического сада Констанцского университета.
Расчет был точным: именно в верхнем слое лесной почвы микроорганизмы веками учились расщеплять стойкие природные полимеры — целлюлозу и растительный воск.
Результат оказался сенсационным. Менее чем за год (от 250 до 330 дней) экспериментальный пластик LCAP полностью разложился. Для сравнения: обычный прочный пластик (полиэтилен HDPE) за это время остался абсолютно нетронутым.
Метагеном и секрет «Пакмэна»
Чтобы понять, кто именно съел пластик, Лернер и Шлехек провели тотальный анализ состава и полного генетического кода (метагенома) всего микробного сообщества, участвовавшего в деградации.
Главным «виновником» успеха оказался особый фермент, который исследователи неофициально окрестили «Пакмэном» (Pac-Man enzyme). Его механизм работы в точности повторяет логику персонажа культовой видеоигры. Вместо случайных атак на полимер фермент садится на самый край молекулярной цепочки пластика. Двигаясь вдоль нее, он методично, звено за звеном, «откусывает» по одному элементу.
Анализ пленок, извлеченных из лесной почвы, преподнес в лаборатории сюрприз: электронная микроскопия выявила в материале крошечные отверстия, каждое из которых соответствовало размеру и форме отдельной бактериальной клетки. «Мы предположили, что бактерии покрыты пластико-деполимеразами, закрепленными на поверхности их клеток. Это позволило бы им проникнуть в материал и внедриться в пленку, оставляя после себя микроскопические отверстия именно такого типа», — объясняет Лернер.
Для идентификации микроорганизмов, накопившихся в образцах почвы в процессе разложения биопластиковых материалов, и ферментов, ответственных за их расщепление, Лернер с большим терпением и тщательностью извлек всю ДНК из микробного сообщества почвы, секвенировал ее и проанализировал огромный объем данных.
Микробиологи идентифицировали ген, который был обнаружен исключительно в лесной почве, содержащей LCAP. Этот ген кодирует фермент эстеразу, снабженный как сигналом секреции, направляющим фермент из клетки, так и мембранным липидным якорем. Этот якорь обеспечивает прочное прикрепление фермента к поверхности бактериальной клетки. Так был обнаружен «фермент Пакмэна».
Фермент преподнес еще один сюрприз. «Его структура напоминает структуру эстераз, а также бета-лактамаз, которые являются бактериальными ферментами, способными расщеплять бета-лактамное кольцо некоторых антибиотиков, таких как пенициллин, тем самым делая бактерии устойчивыми к антибиотикам», — говорит Лернер. И действительно, исследователям удалось продемонстрировать в лабораторных условиях двойную биохимическую функцию фермента — расщепление полиэфиров на мономеры, с одной стороны, и расщепление пенициллина, с другой.
Это открытие решает сразу две важнейшие экологические проблемы — накопление пластиковых отходов в почве и загрязнение окружающей среды остатками медицинских антибиотиков, которые порождают опасные супербактерии.
«Пластисфера — это новая среда обитания в нашей природе. Человечество начало вносить пластик в значительные количества лишь около 50–75 лет назад. С тех пор он теоретически стал доступен микробным сообществам — таким как бактерии, дрожжи и грибы — в качестве дополнительного источника углерода и энергии для их роста. Под «теоретически» я подразумеваю, что они, безусловно, хотели бы использовать пластик в качестве субстрата для роста, но не могут, потому что эти материалы на самом деле не перевариваются микробным метаболизмом и, следовательно, практически не разлагаются. Фермент Пакмэна может сигнализировать о поворотном моменте, указывая на то, что некоторые микроорганизмы, возможно, способны специализироваться на расщеплении пластика. Я нахожу это обнадеживающим, потому что, похоже, бактерии могут адаптироваться к расщеплению полиэфирных пластиков быстрее, чем мы ожидали. Для решения экологической проблемы пластикового загрязнения нам, людям, необходимо использовать возможности микробов. В идеале это должно включать использование только полимеров с биохимическими точками разрыва, таких как гидролизуемые сложноэфирные связи в полиэфирах, таких как LCAP, или других типах биопластиков», — заключает Шлехек.
Статья опубликована в The ISME Journal.
Источник: University of Konstanz.
На заглавном фото: изображения пленок LCAP, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, после инкубации в течение более года в нетронутой лесной почве. Источник: The ISME Journal (2026). DOI: 10.1093/ismejo/wrag203
