Ученые нашли способ заставить природу самой справляться с одним из самых стойких видов пластикового мусора. Группа ученых из Университета Сидзуоки под руководством профессора Акихико Накамуры в партнерстве со специалистами компании Kirin, Института молекулярных наук и Института исследования белков Университета Осаки совершила прорыв в переработке пластика. Им удалось создать новый фермент PET2-21M, который с высочайшей эффективностью разлагает ПЭТ-пластик, из которого делают бутылки. Его «родственная» версия, PET2-14M-6Hot, показала отличные результаты и с более сложными материалами — смесями ПЭТ с хлопком и полиуретаном. ПЭТ — это тот самый пластик, что окружает нас повсюду: от бутылок для воды до одежды. Теоретически его можно перерабатывать, но на практике все сложно. Обычная механическая переработка ухудшает качество материала, а для вещей из нескольких типов волокон (например, футболки из хлопка и полиэстера) она и вовсе не подходит. Химические методы хоть и дают чистый материал, но требуют агрессивных реактивов и жестких условий, что дорого и неэкологично. Подробности опубликованы в издании ACS Sustainable Chemistry & Engineering. Ферментативная переработка — многообещающая альтернатива. Ферменты, как крошечные биологические машины, способны разбирать пластик на исходные «кирпичики»-мономеры в мягких условиях, просто в воде. Ученые взяли за основу фермент PET2 и серьезно его улучшили. Они использовали метод мутагенеза, целенаправленно меняя структуру фермента, и собрали суперэффективную версию PET2-14M, добавив семь новых мутаций к уже известным. Дальнейшая работа по изменению поверхности фермента и его активного центра по образцу другого фермента, HotPETase, привела к созданию PET2-14M-6Hot. Финальной версией стал PET2-21M. Важно, что эти ферменты удалось производить в промышленных количествах с помощью дрожжей Komagataella phaffii. PET2-14M-6Hot, например, нарабатывали до 691 миллиграмма на литр всего за 137 часов, и он получался чистым, без лишних молекулярных «надстроек». Эффективность PET2-21M: •В первых тестах он оказался в 28,6 раз эффективнее своего природного предка. •В большом реакторе он за 24 часа при 60 °C разложил 95% порошка из ПЭТ-бутылок. •Для сравнения, эталонный фермент LCC-ICCG смог достичь 91% только при своей оптимальной температуре 72 °C. Сила нового фермента особенно видна, когда его берут в меньшем количестве. При половинной дозе (2,5 мг/л) PET2-21M все еще разлагал около 50% пластика, а LCC-ICCG — лишь 26%. Это прямо указывает на возможность снизить затраты на катализатор в будущем. Условия эксперимента PET2-21M (60°C) LCC-ICCG (72°C) Высокая доза фермента (20 г/л субстрата) ~95% за 24ч ~91% за 24ч Половинная доза фермента (2.5 мг/л) ~50% ~26% Высокая загрузка субстрата (40 г/л), доза 5 мг/л 44% 29% PET2-14M-6Hot блестяще проявил себя в переработке текстиля. С обычными ПЭТ-волокнами при 60 °C он справился в 1,4 раза лучше, чем LCC-ICCG при 70 °C. Он эффективно работал и со смесями: •ПЭТ/хлопок (65/35): PET2-14M-6Hot произвел 62,8 мМ продуктов, тогда как конкурент — 46,7 мМ. •ПЭТ/полиуретан (85/15): Это самый сложный материал. При 50 °C PET2-14M-6Hot дал 19,2 мМ продуктов, что более чем в два раза превысило результат LCC-ICCG (8,2 мМ). Эти результаты открывают дорогу к промышленному использованию ферментов для переработки самого разного ПЭТ-мусора, включая сложные текстильные отходы, которые раньше почти не поддавались биоразложению. Это серьезный шаг к созданию экономически выгодной и экологичной циклической экономики, где пластик не будет загрязнять планету, а будет служить сырьем снова и снова. Реальная польза этого исследования лежит в практической плоскости и может быть реализована в среднесрочной перспективе. Прежде всего, это создание технологии утилизации тех видов отходов, которые сегодня практически не перерабатываются — именно текстильных смесей. Полиэстер с хлопком или полиуретаном составляет огромную массу Fast Fashion отходов, которые сейчас либо сжигаются, либо попадают на свалки. Ферменты, способные целенаправленно разъедать полиэстер, оставляя другие волокна, — это ключ к решению этой проблемы. Во-вторых, снижение температуры процесса с 72 до 60 градусов и возможность работать с меньшим количеством фермента — это прямое сокращение энергозатрат и себестоимости будущего технологического процесса. Это делает всю концепцию ферментативной переработки не просто красивой лабораторной историей, а коммерчески привлекательным решением для инвесторов. В перспективе это может привести к появлению локальных фабрик по переработке пластика, работающих по принципу биореактора, без гигантских заводов и вредных выбросов. Остается выяснить, как будет обеспечена стабильность и доступная стоимость ферментов в условиях реального производства, а не лабораторного реактора. Ученые не сообщили, как долго фермент сохраняет свою активность при непрерывном процессе, как он реагирует на примеси (красители, грязь, другие пластики) в реальных, а не очищенных отходах. Кроме того, масштабирование производства самого фермента с помощью дрожжей, даже при заявленных высоких титрах, все еще может быть дорогостоящим. Промышленность будет смотреть на стоимость грамма активного фермента и на то, сколько циклов он выдержит. Без решения этих прикладных инженерных задач путь технологии на рынок может затянуться, несмотря на ее выдающиеся лабораторные характеристики.
