Откриването на международна група учени, която включва двама бразилци, може да допринесе за минимизиране на замърсяването, причинено от материала
Международна група учени, в която участват двама бразилци от университета в Кампинас (Unicamp), успя да подобри ефективността на PETase, ензим, способен да се храни с полиетилен терефталат, PET пластмаса. След откриването на PETase в нов вид бактерии през 2016 г. групата изследователи работи, за да получи структурата на ензима и да разбере неговото функциониране. В този процес случайно те в крайна сметка създават мутация на ензима, който има още по-голям афинитет към PET - тоест по-голям потенциал за разграждане на пластмасата.
Работата има огромен потенциал за практическа употреба, тъй като се изчислява, че между 4,8 и 12,7 милиона тона пластмаса се хвърлят в океаните всяка година - брой, който само има тенденция да расте. Пластмасите, които се натрупват дори на най-отдалечените плажове на планетата, се използват толкова точно поради тяхната устойчивост на деградация, което е най-застрашаващото околната среда. Когато се изхвърли, PET бутилка, например, може да остане в околната среда в продължение на 800 години - в допълнение към нарастващия и тревожен проблем на микропластмасите.
- Разберете въздействието върху околната среда на пластмасовите отпадъци за хранителната верига
- Какъв е произходът на пластмасата, която замърсява океаните?
С всичко това е лесно да се разбере големият интерес, предизвикан от откриването на ензим, способен да смила полиетилен терефталат. Този ензим, наречен PETase, сега е увеличил способността си да разгражда пластмасата. Новостта е описана в статия, публикувана в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).
Двама изследователи от Института по химия на Държавния университет в Кампинас (IQ-Unicamp) са участвали в изследването, в сътрудничество с изследователи от Обединеното кралство (Университет Портсмут) и САЩ (Национална лаборатория за възобновяема енергия). Те са постдокторантът Родриго Леандро Силвейра и неговият ръководител, редовен професор и декан на научните изследвания в Unicamp Munir Salomão Skaf.
„Използван главно за производството на бутилки за напитки, полиетилен терефталатът се използва широко и в производството на облекла, килими и други предмети. В нашето изследване ние характеризирахме триизмерната структура на ензима, способна да смила тази пластмаса, проектирахме я, увеличавайки нейната способност за разграждане и показахме, че тя е активна и в полиетилен-2,5-фурандикарбоксилат (PEF), заместител на PET, произведен от от възобновяеми суровини “, каза Силвейра пред Agência FAPESP.
Интересът към PETase възникна през 2016 г., когато група японски изследователи, водени от Шосуке Йошида, идентифицираха нов вид бактерии, Ideonella sakaiensis , способни да използват полиетилен терефталат като въглерод и енергиен източник - с други думи, способни да се хранят с PET. До днес е единственият известен организъм с тази способност. Той буквално расте върху PET.
„В допълнение към идентифицирането на Ideonella sakaiensis , японците откриха, че той произвежда два ензима, които се секретират в околната среда. Един от секретираните ензими е PETase. Поради своята степен на кристалност, PET е полимер, който е много труден за разграждане. Технически използваме термина „невъздържаност“, за да назовем свойството, което някои силно опаковани полимери трябва да устоят на разграждането. PET е един от тях. Но PETase атакува и го разделя на малки единици - моно (2-хидроксиетил) терефталова киселина (MHET). След това MHET единиците се превръщат в терефталова киселина [от втори ензим] и се абсорбират и метаболизират от бактериите “, каза Силвейра.
Всички познати живи същества използват биомолекули, за да оцелеят. Всички освен Ideonella sakaiensis, която успява да използва синтетична молекула, произведена от хора. Това означава, че тази бактерия е резултат от съвсем скорошен еволюционен процес, настъпил през последните няколко десетилетия. Той успява да се адаптира към полимер, който е разработен в началото на 40-те години и започва да се използва в индустриален мащаб едва през 70-те години. За това PETase е ключовата част.
„PETase прави най-трудната част, която е да разруши кристалната структура и да деполимеризира PET в MHET. Работата на втория ензим, който трансформира MHET в терефталова киселина, вече е много по-проста, тъй като неговият субстрат е образуван от мономери, до които ензимът има лесен достъп, тъй като те са диспергирани в реакционната среда. Следователно проучванията са фокусирани върху PETase ”, обясни Силвейра.
Следващата стъпка беше да се проучи подробно PETase и това беше приносът на новото изследване. „Нашият фокус беше да разберем какво даде на PETase способността да прави нещо, което другите ензими не бяха в състояние да направят много ефективно. За това първата стъпка беше да се получи триизмерната структура на този протеин ”, каза той.
„Получаването на триизмерната структура означава откриване на координатите x, y и z на всеки от хилядите атоми, изграждащи макромолекулата. Нашите британски колеги направиха тази работа с помощта на добре позната и използвана техника, наречена рентгенова дифракция ”, обясни той.
Модифицираният ензим се свързва по-добре с полимера
След като се получи триизмерната структура, изследователите започнаха да сравняват PETase със сродни протеини. Най-подобна е кутиназата на бактерията Thermobifida fusca, която разгражда кутина, един вид естествен лак, който покрива листата на растенията. Някои патогенни микроорганизми използват кутинази, за да пробият бариерата на кутина и да присвоят хранителните вещества, присъстващи в листата.
Изображение: Структура на PETase, в синьо, с PET верига (в жълто), свързана с нейния активен център, където тя ще се разгради. Съобщение за пресата / Родриго Леандро Силвейра.
„Открихме, че в областта на ензима, където се появяват химични реакции, така нареченото„ активно място “, PETase показва някои разлики по отношение на кутиназата. Той има по-отворен активен сайт. Чрез компютърни симулации - и това беше частта, в която допринесох най-много - успяхме да изучим молекулярните движения на ензима. Докато кристалографската структура, получена чрез дифракция на рентгенови лъчи, предоставя статична информация, симулациите позволяват да се получи динамична информация и да се открие специфичната роля на всяка аминокиселина в процеса на разграждане на PET ”, обясни изследователят от IQ-Unicamp.
Физиката на движенията на молекулата е резултат от електростатичните привличания и отблъсквания на огромния набор от атоми и температурата. Компютърните симулации ни позволиха да разберем по-добре как PETase се свързва и взаимодейства с PET.
„Открихме, че PETase и cutinase имат две различни аминокиселини в активното място. Чрез процедури за молекулярна биология ние произвеждаме мутации в PETase, с цел да я трансформираме в кутиназа ”, каза Силвейра.
„Ако успяхме да направим това, щяхме да покажем защо PETase е PETase, тоест щяхме да знаем кои са компонентите, които му придават особеното свойство да разгражда PET. Но за наша изненада, когато се опитваме да потиснем особената активност на PETase, т.е. когато се опитваме да трансформираме PETase в кутиназа, ние произвеждаме още по-активна PETase. Ние се стремихме да намалим активността и вместо това я увеличихме ”, каза той.
Това изисква допълнителни изчислителни проучвания, за да се разбере защо мутантната PETase е по-добра от оригиналната PETase. С моделиране и симулации беше възможно да се забележи, че промените, произведени в PETase благоприятстват свързването на ензима със субстрата.
Модифицираният ензим се свързва по-добре с полимера. Това свързване зависи от геометрични фактори, т.е. от типа "ключ и ключалка" между двете молекули. Но също така и на термодинамичните фактори, тоест на взаимодействията между различните компоненти на ензима и полимера. Елегантният начин да се опише това е да се каже, че модифицираната PETase има „по-голям афинитет“ към субстрата.
По отношение на бъдещо практическо приложение, за получаване на съставка, способна да разгради тонове пластмасови отпадъци, проучването имаше огромен успех. Но въпросът какво прави PETase PETase остава без отговор.
“Кутиназата има аминокиселини a и b. PETase има аминокиселините x и y. Представяме си, че като заменим x и y за a и b, можем да трансформираме PETase в кутиназа. Вместо това ние произвеждаме подобрена PETase. С други думи, двете аминокиселини не са обяснението за диференциалното поведение на двата ензима. Това е нещо друго - каза Силвейра.
Текущи разработки
Кутиназата е древен ензим, докато PETase е модерен ензим, произтичащ от еволюционния натиск, който позволи на Ideonella sakaiensis да се адаптира към среда, която съдържа само или главно полиетилен терефталат като източник на въглерод и енергия.
Сред многото бактерии, които не могат да използват този полимер, някои мутации генерират вид, който е успял да го направи. Тази бактерия започна да се размножава и расте много повече от останалите, защото имаше достатъчно храна. С това се разви. Поне това е обяснението, предоставено от стандартната еволюционна теория.
„Фактът, че получихме по-добър ензим, като направихме малка промяна, силно подсказва, че тази еволюция все още не е завършена. Все още има нови еволюционни възможности, които трябва да бъдат разбрани и изследвани с оглед на получаването на още по-ефективни ензими. Подобрената PETase не е краят на пътя. Това е само началото ”, каза Силвейра.
С оглед на приложението следващата стъпка е преминаването от лабораторен към индустриален мащаб. За целта ще са необходими допълнителни проучвания, свързани с реакторното инженерство, оптимизацията на процесите и намаляването на разходите.
