Глубоко в океане ученые обнаружили миллиарды бактерий, способных переваривать пластик. Эти микроорганизмы используют специализированные ферменты, которые, как предполагается, эволюционировали вместе с появлением синтетических материалов, созданных человечеством.
Масштабное глобальное исследование, проведенное учеными из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST), показало, что эти морские микробы широко распространены и генетически подготовлены к потреблению полиэтилентерефталата (PET) – прочного пластика, используемого в повседневных предметах, таких как бутылки для напитков и ткани.
Их удивительная способность обусловлена особой структурной особенностью фермента, расщепляющего пластик, который называется PETase. Эта особенность, известная как мотив M5, действует как молекулярный «отпечаток пальца», который указывает, когда фермент действительно способен разрушать PET.
Карлос Дуарте, морской эколог и соруководитель исследования, объясняет: «Мотив M5 действует как индикатор, который сообщает нам, когда фермент PETase, вероятно, будет функционально активным и способным расщеплять пластик PET». Он добавляет: «Его открытие помогает нам понять, как эти ферменты эволюционировали из других ферментов, расщепляющих углеводороды. В океане, где углерода мало, микробы, похоже, точно настроили эти ферменты, чтобы использовать новый, созданный человеком источник углерода – пластик».
В течение десятилетий ученые считали, что PET практически невозможно разложить естественным путем. Это убеждение начало меняться в 2016 году, когда в японском перерабатывающем заводе была обнаружена бактерия, выживающая за счет потребления пластиковых отходов. Она выработала фермент PETase, способный расщеплять полимеры пластика на их составляющие. Однако тогда оставалось неясным, развили ли океанские микробы подобные ферменты независимо.
Используя комбинацию моделирования с помощью искусственного интеллекта, генетического скрининга и лабораторных испытаний, Дуарте и его команда подтвердили, что мотив M5 отличает истинные ферменты, расщепляющие PET, от неактивных «двойников». В экспериментах морские бактерии, несущие полный мотив M5, эффективно расщепляли образцы PET. Карты генетической активности показали, что гены M5-PETase очень активны по всему океану, особенно в районах, сильно загрязненных пластиком.
Для того чтобы понять, насколько широко распространены эти ферменты, исследователи изучили более 400 образцов океанской воды, собранных по всему миру. Функциональные ферменты PETase, содержащие мотив M5, были обнаружены почти в 80 процентах исследованных вод – от поверхностных водоворотов, заполненных плавающим мусором, до обедненных питательными веществами глубин почти в двух километрах ниже поверхности.
В глубоководье эта способность может давать микробам важное преимущество. Способность «перекусить» синтетическим углеродом может обеспечить решающее преимущество для выживания, отметил Интихаб Алам, старший исследователь в области биоинформатики и соруководитель исследования. Это открытие подчеркивает растущую эволюционную реакцию: микроорганизмы адаптируются к человеческому загрязнению в планетарном масштабе.
Хотя эта адаптация демонстрирует устойчивость природы, Дуарте предостерегает от чрезмерного оптимизма. Он предупреждает, что «к тому времени, когда пластик достигает глубоководья, риски для морской жизни и потребителей уже причинены». Микробный процесс разложения слишком медленный, чтобы компенсировать огромный поток пластиковых отходов, ежегодно поступающих в океаны.
Однако на суше эти результаты могут ускорить прогресс в направлении устойчивой переработки. Дуарте отмечает, что «спектр ферментов, расщепляющих PET, спонтанно эволюционировавших в глубоководье, предоставляет модели для оптимизации в лаборатории с целью эффективного разложения пластика на очистных сооружениях и, в конечном итоге, на дому». Идентификация мотива M5 предлагает дорожную карту для проектирования более быстрых и эффективных ферментов. Она выявляет структурные особенности, которые работают в реальных условиях окружающей среды, а не только в пробирках. Если ученые смогут воспроизвести и улучшить эти природные механизмы, человечество в борьбе с пластиковым загрязнением может найти мощных новых союзников в одном из самых неожиданных мест планеты – в глубинах океана.
