Главная » Статьи » Техника » Промышленная техника

Ученые делают успехи с лучшими пластикоядными бактериями

Молекулярный биолог Кристофер Джонсон не так давно болтал на вечеринке, беседуя с другим гостем о своих исследованиях, как это часто делают ученые. Джонсон работает над разрушением пластика, который, как правило, очень устойчив к таким вещам.

Женщина, с которой он говорил на этом предсвадебном вечере, ответила, что она чувствует себя подавленной - безнадежной - по поводу всей ситуации: как мы не можем перестать использовать пластик, как они переполняют свалки , как их микрочастицы проникают в океаны .

Потрясенный , подумал Джонсон. Безнадежно .

«Я нахожусь за пределами этой перспективы», - говорит Джонсон, вспоминая свою реакцию.

Это потому, что с Джонсоном не только пластмассы. Он происходит с ними. Джонсон - научный сотрудник Национальной лаборатории возобновляемой энергии, и в прошлом году он и его коллеги создали биологический фермент, который может эффективно жевать с помощью одноразовых пластиков, подобных тем, которые используются для изготовления бутылок с водой и мыльниц. Команда с оптимизмом смотрит, что они могут создать мир, в котором люди продолжают использовать этот переизбыточный материал, не оказываясь буквально или фигурально перегруженным им. В этом мире, как часть более широкой и надежной системы переработки, микроорганизмы будут переваривать полимеры в свои химические компоненты, чтобы они могли получать прибыль как новые и более качественные продукты.

В настоящее время переработка на самом деле не превращает пластик во что-либо, с химической точки зрения: он просто измельчает отходы в более мелкие кусочки, как измельчение бумаги в полоски. Затем производители восстанавливают эти изделия в некачественный пластик. В биологической переработке, как называют ее в этой области, организмы, поедающие пластик, возвращают вам строительные блоки для производства новых материалов и, в конечном итоге, товаров.

Группа Джонсона, в частности, захватила воображение публики, потому что ее открытие было случайным и сделало для большой истории. Скептики опасались, что эти усилия могут иметь неприятные последствия, - что мошеннические ГМО-дробилки могут начать поглощать неправильные полимеры. Как приборная панель вашего автомобиля. Как ты за рулем. Это крайне отдаленная возможность, но не полностью ошибочная.

В конце концов, весь этот пластиковый мусор сам по себе является непреднамеренным следствием. Синтетический материал начал, в частности, в качестве замены слоновой кости, чтобы спасти слонов от убоя. Но это новшество также привело нас туда, где мы сегодня: ошеломлены и безнадежны. Количество пластика, которое люди производят каждый год - более 300 миллионов тонн - весит примерно в пять раз больше, чем все люди вместе взятые.

Мы используем большинство наших современных полимеров только один раз: в бутылках с водой, шампунях, молочных бутылках, пакетиках для чипсов, продуктовых пакетах, мешалках для кофе. Ежегодно около 9 миллионов тонн мусора попадают в море . Вы, наверное, слышали о Великом Тихоокеанском мусорном пятне: области в северной половине океана, где вихревые потоки собирают все, что отказывается. Но знаете ли вы, что к 2050 году в открытом море может быть больше пластика, чем рыбы?

Джонсон и его команда считают, что Цивилизация не очень хорошо справляется с уборкой, отчасти потому, что у нее никогда не было больших экономических стимулов. Но если вы можете взять эти пластиковые строительные блоки и собрать их во что-то более ценное, чем оригинал - например, автозапчасти, ветряные турбины или даже доски для серфинга - вы можете изменить исчисление переработки. Компании могут преуспеть для себя, делая добро для всего мира.

Большая часть команды случайных ферментов работает в Национальной лаборатории возобновляемой энергии в Голден, штат Колорадо. Кампус подталкивает к предгорьям Скалистых гор, которые быстро превращаются из пустоты в 14 000-футовые вершины. Солнечные панели занимают крыши почти всех зданий. Внутри здания лаборатории полевых испытаний, где работает группа, вдоль потолков и стен проложен ряд инженерных труб ROYGBIV. Лаборатории, заполненные холодильниками, инкубаторами и мощными микроскопами, гудят за входами для карточного доступа. А в маленькой комнате для совещаний на первом этаже матрица экранов подсвечивает четырех ученых.

Они вместе со своими коллегами во Флориде, Англии и Бразилии образуют своего рода команду мечты для этого конкретного исследования по переработке на основе био: Николас Роррер создает полимеры. Грегг Бекхэм пытается выяснить, как бактериальные и грибковые химические вещества расщепляют такие соединения, как целлюлоза, основной ингредиент в клеточных стенках растений и многие овощи. Брайон Донохо изучает, как работают клетки с ферментами, поедающими полимеры. Джонсон разрабатывает новые виды клеток, которые выделяют эти ферменты. Эти области знаний являются ключом к изучению того, как бактерии развивают аппетит к пластику, и как манипулировать ими, чтобы стать лучшими закусками.

На одном из экранов позади них фермент катается по крупной целлюлозе, пережевывая отдельные нити и выплевывая их обратно в виде кусочков сахара - идеальное переживание при еде. Ученые говорят, что эта симуляция - это то же самое, что полимер соответствует своему соответствию.

Команда впервые узнала об этой концепции, когда мартовский выпуск журнала Science за 2016 год принес новость о том, что исследователи в Японии обнаружили странные виды бактерий в образцах почвы возле завода по переработке бутылок в городе Сакаи. Он может разбиться через полиэтилентерефталат, широко известный как ПЭТ, который производители широко используют для изготовления пластиковых бутылок и контейнеров. Команда под руководством Кенджи Миямото, ученого-биолога из Университета Кейо, обнаружила, что организм выделил фермент, который они назвали ПЭТазой, который разделил полимер на химические частицы. Они назвали этот удивительный организм Ideonella sakaiensis в честь своего родного города. Тем не менее, чтобы не распустить Ideonella, но это не сработало достаточно быстро: учитывая шесть недель и тропические температуры, он мог съесть пленку ПЭТ. Не совсем то, что касается эффективных заводов по переработке. Кроме того, для того, чтобы он рос, требовалось тщательное внимание и кормление.

Вскоре после того, как появилась журнальная статья, Бекхэм оказался в Англии, выпил пива с Джоном МакГиэном из Университета Портсмута, коллегой по исследованию целлюлозы и экспертом в картировании структур крошечных ферментов. Они начали обдумывать, как объединить усилия, чтобы лучше понять, как PETase переваривает PET. В конце концов, их работа уже смотрела на то, как естественное разлагает естественное - например, как бактерии и грибы используют ферменты для переваривания целлюлозы. Может быть, эта работа поможет им понять, как естественное разрушает синтетическое.

После их мозгового штурма двое завербовали Джонсона, Донохо и Роррера, а также другого коллегу во Флориде Ли Вудкока, чьи сложные компьютерные модели имитируют работу клеточных химических веществ. Затем они начали.

Во-первых, команде нужно было понять, как PETase ломает выбранный пластик. Молекулы в полимере похожи на соединенные кирпичи Lego, которые могут просто развалиться. Для ПЭТ PETase является пуллером. Но чтобы понять, как PETase может захватывать и вращать молекулы пластика, команде нужно было достаточно фермента, чтобы составить карту.

Именно здесь появился опыт работы с клетками у Джонсона. Работая с внешней компанией, они синтезировали ген, который производит ПЭТазу, чтобы потом его можно было вставить в E. coli , одноклеточный организм, который быстро и легко вырастить в лаборатории. Он отправил генетический код через пруд в лабораторию Макгиана. Там у мутанта пищевого отравителя было немного хряща и он начал откачивать ПЭТазу.

МакГихан отправил фермент PETase на установку с сверхмощным рентгеновским микроскопом, который использует свет в 10 миллиардов раз сильнее, чем солнце, для зондирования образцов и создания изображений атомного масштаба. Внутри экзотического микроскопа переохлажденные магниты направляли рентгеновские лучи до тех пор, пока ученые не увидели саму PETase, а не только ее эффект от сгущения.

Этот энзим неопытному глазу напоминает дитя любви морской губки и человеческого мозга. Или, если вы очень удачливый биолог, это выглядит почти так же, как кутиназа, средство для снятия кутина, воскообразный полимер, покрывающий многие растения. Кутиназа имеет узкую U-образную ямку, которая так же врезается в кутин. У PETase та же самая U, только шире, что-то вроде кутиназы в веселом зеркале. PETase U врезается в PET, как две стороны ожерелья BFF.

Это не легкая задача , Бекхэм подумал тогда: Фермент, рассуждал он, первоначально эволюционировали , чтобы поесть кутин, и явно адаптировали в присутствии такого большого количества мусора , чтобы иметь новую любимую пищу.

Форма, функции и эволюционная идея в руках, команда представила свой документ для публикации в октябре 2017 года. Но история происхождения - их самая любимая часть - была проблематичной. «Один из наших рецензентов сказал:« Нет, вы должны это показать », - вспоминает Бекхэм.

Это будет чушь , подумал он. Казалось настолько очевидным, что кутиназа проникла в ПЭТазу. Но чтобы показать, как это произошло, им придется свернуть эволюционные часы, превратив широкую ПЭТазу U обратно в крошечную кутиназу U, и в процессе, как они думали, сделать ее неспособной или, по крайней мере, менее способной жевать пластик. Затем они изменили курс, превратив кутиназу обратно в ПЭТазу, показывая, как один стал другим.

Бекхэму придется съесть (и переварить) эти слова.

Команда начала первую половину эксперимента , превратив ПЭТазу обратно в кутиназу, в конце 2017 года. Сначала они подправили ДНК, которая производит фермент ПЭТазу. В частности, они мутировали две аминокислоты, поэтому их замены сжимались в U, создавая фермент, который был ближе к кутиназе. Со своей стороны, Роррер - специалист по полимерам - начал собирать бутылки у коллег, в том числе среди любимых сотрудников, таких как Диета Пепси и Диета Доктор Пеппер. (Сегодня мусор все еще покрывает верхнюю часть его шкафа.) Он использовал стандартный дырокол в офисе, чтобы вырезать круги. Затем он поместил их в тесные помещения с версиями модифицированного фермента, ожидая, что он вернется и обнаружит, что он достиг минимального прогресса, если таковой имеется.

Но это не то, что случилось. Когда Роррер вернулся через четыре дня, он обнаружил, что взломанный фермент не только работал, но и потреблял примерно на 30 процентов больше, чем ПЭТаза с завода по переработке в Сакаи. Члены команды начали сомневаться в себе. Может быть, я ошибочно пометил образцы , подумал Роррер. Донохью, специалист по разрушению клеток, подозревал, что они перепутали образцы. Они повторили эксперимент еще два раза, но продолжали получать тот же результат: у нового фермента был хороший аппетит. Донохо вспоминает: «Я как бы,« я думаю, мы должны в это верить, хотя я и не знаю, как ».

Результат все еще остается открытым, трансформировалась ли PETase из кутиназы «о, конечно», как предположила команда. Но неожиданный результат - все еще хорошие новости: это означает, что они могут улучшить то, что уже произвела эволюция. «Природа не обязательно нашла окончательное решение», - говорит инженер-химик Бекхэм.

Когда они объявили об открытии в апреле 2018 года, люди ухватились за его откровенность. Джон МакГиэн получил награду Goop от бренда велнеса Гвинет Пэлтроу. Он пытался отвергнуть это, но Гвинет Пэлтроу не отвергает. Но для этой группы быть известным было недостаточно. И немного улучшить PETase тоже не было. «Возможно, здесь есть место, чтобы сделать его намного лучше», - говорит Бекхэм.

Оказывается, что Ideonella sakaiensis - далеко не единственный организм, который может использовать пластиковые отходы в качестве топлива. «Бактерии, вероятно, просто эволюционируют, чтобы есть все вокруг», - говорит генный инженер Джонсон. В течение десятилетий биологи знали, что существующие ферменты, такие как так называемые эстеразы, которые выделяются микробами и грибами, могут разрушать ПЭТ и нейлон.

Пластмассы, плавающие в Цюрихском озере, несут четыре организма, приготовленных для употребления полиуретана. В океане исследователи в Индии обнаружили виды бактерий, которые могут разлагать поливиниловый спирт, который обеспечивает водонепроницаемость бумаги. Другая группа нашла грибок, кутиназа которого также жевает ПЭТ. Однако ни один из них не может быть достаточно быстрым в масштабе, чтобы быть полезным для промышленности - пока. Поскольку каждый год производится более 300 миллионов тонн пластика, организмам необходимо будет перемешивать около 906 000 тонн во все дни, заканчивающиеся на «у», чтобы выполнить работу. Потребуется четыре дня, чтобы растворить поверхность бутылки Diet Dr Pepper недостаточно быстро.

В своем собственном поиске лучших едоков полимеров команда мечты недавно наняла новых игроков из Университета штата Монтана, которые изучают экстремофилов, кипящих в ярко окрашенных водоемах Йеллоустона. Самовлюбленные туристы выбрасывают много мусора в эти горячие источники. При таких температурах, иногда более 400 градусов, пластик плавится.

Для бактерии жевать перегретый мусор - все равно что набирать скорость: все происходит намного быстрее. Если ученые смогут найти экстремофила или инженера, который любит его горячим и ест ПЭТ, то он на один шаг ближе к процессу, который работает достаточно быстро, чтобы быть полезным в реальном мире.

В этом случае будущий завод по переработке будет нагревать или нарезать кубики пластиком, а затем бросать его в большую кастрюлю с горячей водой и посыпать небольшим количеством РЕТазы (или другого голодного фермента). Это привело бы к получению супа из полисиллабных ингредиентов: терефталевой кислоты и этиленгликоля, которые компании могут превратить в более прочные, более ценные полимеры.

Во-первых, им нужен лучший фермент. «Жизнь найдет выход», - говорит Бекхэм, улыбаясь, перефразируя Парк Юрского периода . Тем не менее, природа может использовать помощь. Итак, команда начинает с использования секрета эволюции: случайной мутации. Иногда новый генетический код делает организм более подходящим для окружающей среды, и микроб живет, чтобы передать это чудо своим потомкам. В лаборатории, тем не менее, мы можем ускорить эволюцию, скажем, за счет того, что будем кормить потенциальных пластмассовых едоков только ПЭТ. Если они не садятся обедать, они голодают.

Команда также пытается создать новую жизнь, вводя ген PETase в бактерии, которые менее требовательны, чем Ideonella . Бекхэм достает неопубликованную бумагу и прокручивает фотографии до и после. После четырех дней в пробирке с новым мутантом, немного перфорированного пластика - это то, что он называет «густой смесью дерьма». «Дерьмо» здесь - это пережеванные пластиковые детали.

Усилие, другими словами, работает. Когда Бекхэм смотрит на свои фотографии, он смеется и вспоминает ссылку, которую ему прислали люди, когда вышла первая статья команды. Это указывало на книгу 1971 года под названием « Мутант 59: Пожиратели пластмасс» . В этой истории доминирует растворяющийся в полимере вирус - убивая космические корабли, разбивая самолеты, тонущие подводные лодки и вообще вызывая неконтролируемый хаос, поскольку он уничтожает, казалось бы, весь пластик в мире.

Исследователи из научной литературы планируют, что их инженерные организмы будут оставаться в лаборатории, в пробирках и, в конечном итоге, в промышленных процессах. Такие организмы могли бы даже существовать снаружи, развивая старомодный путь. Помните, в мире есть бактерии, которые едят много других вещей, которые мы любим: металл, хлеб, сыр, наша собственная кожа. И мы все еще здесь, покусывая хлеб с сыром, сидя на металлических стульях. Учитывая долгий старт, микробам еще не удалось захватить власть. Таким образом, если природа не станет заметно лучше и удивительно быстро (на создание неэффективной версии PETase ушло около 50 лет), или если мошенник устроит переворот, никакие крошечные звери не будут потрошить ваш каяк Walmart в ближайшее время.

Бекхэм вселяет больше уверенности в том, что углерод, выделяющийся во время пищеварения, в конечном итоге превращается в углекислый газ, парниковый газ, который способствует изменению климата. Но любое дополнение будет затмевать газы из других отраслей. Его группа не хочет ни биологически разогретого мира, ни мира без пластика.

Вместо этого они стремятся создать реальный экономический стимул для переработки большинства полимеров. Прямо сейчас, что заканчивается переработкой, это просто ПЭТ с более слабыми связями: сложно сделать из него еще одну бутылку, и она стоит около 75 процентов от того, что было в оригинальном пластике. Это идет в текстиль или ковры. Те, как правило, оказываются на свалках.

Биологически разрушаемый пластик, тем не менее, производит компоненты, которые могут стать предшественниками дорогостоящих материалов, таких как кевлар, который продается в два-три раза дороже переработанного ПЭТФ и входит в стойкие к стрессу продукты, такие как сноуборды. Эти материалы дают компаниям основание для возврата пластмассы. Инноваторы могут даже использовать их для создания более легких самолетов, более эффективных автомобилей и выносливых, легких вещей, о которых мы еще не думали. Материал, который, возможно, вносит свой вклад в сокращение выбросов парниковых газов.

Этот мир не будет существовать завтра или в следующем году. Но это предсказуемое будущее, синтезированное с помощью микробов команды мечты или других людей, и того, что природа привносит в полимерный стол для пикника. Если им это удастся, мы сможем сосуществовать с пластиками, а не с кучей их.

Категория: Промышленная техника | Добавил: xxxmarfeixxx (04.07.2019)
Просмотров: 96 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]