Вчені створили штучний білок, здатний розкладати мікропластик

Щороку в усьому світі виробляється близько 400 мільйонів тонн пластику, щороку ця цифра збільшується приблизно на 4%. Викиди в результаті їх виробництва є одним з елементів, що сприяють зміні клімату, а їх повсюдна присутність в екосистемах призводить до серйозних екологічних проблем.

Одним із найбільш використовуваних є ПЕТ (поліетилентерефталат), який міститься в багатьох упаковках і пляшках для напоїв. З часом цей матеріал зношується на все дрібніші частинки — так званий мікропластик, — що погіршує екологічні проблеми. На ПЕТ вже припадає понад 10% світового виробництва пластику, а вторинна переробка є рідкою та неефективною.

Тепер вчені з Барселонського суперкомп’ютерного центру — Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) разом з дослідницькими групами з Інституту каталізу та нафтохімії CSIC (ICP-CSIC) і Мадридського університету Комплутенсе (UCM) розробили штучні білки, здатні розкладати ПЕТ-мікропластики та нанопластики та відновлювати їх до основних компонентів, що дозволить їх розщеплювати або переробляти.

Вони використали захисний білок з анемони полуничної (Actinia fragacea), до якого вони додали нову функцію після розробки за допомогою обчислювальних методів. Результати опубліковані в журналі Nature Catalysis.

Розширення природи

«Те, що ми робимо, схоже на додавання зброї до людини», — пояснює Віктор Гуаллар, професор ICREA в BSC і один з авторів роботи. Ці руки складаються лише з трьох амінокислот, які функціонують як ножиці, здатні розрізати дрібні частинки ПЕТ. У цьому випадку вони були додані до білка з анемони Actinia fragacea, якому в принципі не вистачає цієї функції і який у природі «функціонує як клітинний бур, відкриваючи пори та діючи як захисний механізм», пояснює дослідник.

Машинне навчання та суперкомп’ютери, такі як MareNostrum 4 від BSC, які використовуються в цій білковій інженерії, дозволяють «передбачити, де частинки збираються з’єднатися і де ми повинні розмістити нові амінокислоти, щоб вони могли діяти», — говорить Гуаллар. Отримана геометрія дуже схожа на геометрію ферменту PETase з бактерії Idionella sakaiensis, який здатний розкладати цей тип пластику та був виявлений у 2016 році на заводі з перероблення упаковки в Японії.

Результати показують, що новий білок здатний розкладати ПЕТ мікро- та нанопластики з «ефективністю, яка в 5-10 разів перевищує ефективність ПЕТаз, які зараз є на ринку, і при кімнатній температурі», — пояснює Гуаллар. Інші підходи вимагають температури вище 70 °C, щоб зробити пластик більш придатним для формування, що призводить до високих викидів CO₂ і обмежує його застосування.

Крім того, була обрана пороподібна структура білка, тому що вона пропускає воду і тому, що вона може бути закріплена на мембранах, подібних тим, які використовуються в опріснювальних установках. Це полегшить його використання у формі фільтрів, які «можуть використовуватися на очисних спорудах для руйнування тих часток, які ми не бачимо, але які дуже важко видалити і які ми ковтаємо», — говорить Мануель Феррер, професор-дослідник з ICP-CSIC, а також відповідає за дослідження.

Конструкція, яка дозволяє очищати та/або переробляти

Ще одна перевага нового білка полягає в тому, що було розроблено два варіанти, залежно від місця розміщення нових амінокислот. Результатом є те, що кожна породжує різні продукти.

«Один варіант розщеплює частинки ПЕТ більш ретельно, тому його можна використовувати для розкладання на очисних спорудах. Інший дає початок початковим компонентам, необхідним для переробки. Таким чином ми можемо очищати або переробляти, залежно від потреб», пояснює Лаура Фернандес Лопес, яка працює над докторською дисертацією в Інституті каталізу та нафтохімії CSIC (ICP-CSIC).

За словами дослідників, нинішня конструкція вже може мати застосування, але «гнучкість білка , як і багатоцільового інструменту, дозволить додавати та тестувати нові елементи та комбінації», — пояснює доктор Сара Гарсія Лінарес, з Мадридського університету Комплутенсе, який також брав участь у дослідженні.

«Ми прагнемо об’єднати потенціал білків, створених природою, і машинного навчання з суперкомп’ютерами для створення нових конструкцій, які дозволять нам створити здорове середовище без пластику», — каже Феррер.

«Обчислювальні методи та біотехнології можуть дозволити нам знайти рішення для багатьо