Недавно обнаруженный глубоководный фермент расщепляет ПЭТ-пластик

Пластиковое загрязнение все больше влияет на здоровье побережий и океанов. Одной из хорошо известных проблем являются пластиковые бутылки из полиэтилентерефталата, или ПЭТ. Новое исследование с участием ученых из исследовательской группы профессора Рут Шмитц-Штрайт в Кильском университете впервые с использованием микроорганизмов из глубокого моря показало, что полимеры, такие как ПЭТ, постоянно разлагаются под действием фермента. 

Результаты фундаментально расширяют знания об ферментах, разлагающих ПЭТ, основополагающем механизме и эволюционном понимании разнообразия предполагаемых ферментов, разлагающих ПЭТ, во всем Мировом океане. Исследовательская группа опубликовала результаты в журнале Communications Chemistry, где обсуждаются как биотехнологические применения, так и высокая значимость биогеохимических процессов в океане и на суше.

Исследование подчеркивает особую особенность фермента, разлагающего ПЭТ. «В нашем исследовании мы обнаружили новый генетический ресурс глубоководных организмов, принадлежащих к археям», — говорит профессор Рут Шмитц-Штрайт. До сих пор было известно около 80 различных ферментов, разлагающих ПЭТ, большинство из которых обнаружено в бактериях или грибах.

«Наши данные способствуют лучшему пониманию экологической роли глубоководных архей и возможной деградации ПЭТ-отходов в море», — добавил он.

Используя метагеномный подход, исследовательская группа впервые идентифицировала и биохимически описала фермент PET46, разлагающий ПЭТ, из некультивируемого глубоководного микроорганизма. Это включало идентификацию гена из глубоководного образца на основе сходства с известными последовательностями, синтез соответствующего кодирующего гена, производство белка в бактерии Escherichia coli, а затем изучение его биохимически и структурно.

PET46 обладает множеством необычных свойств и расширяет разнообразие ПЭТ-активных ферментов. Структурно фермент существенно отличается от обнаруженных ранее. Например, он обладает способностью разрушать как молекулы ПЭТ с очень длинной цепью, известные как полимеры, так и молекулы ПЭТ с короткой цепью, известные как олигомеры, а это означает, что разложение может быть непрерывным.

Помимо прочего, ПЭТ46 использует совершенно другой механизм связывания субстрата, чем ранее известные ферменты, разлагающие ПЭТ. Исследователи описывают необычную «крышку» из 45 аминокислот над активным центром фермента, имеющую решающее значение для связывания. Для других ПЭТ-ферментов типичны ароматические аминокислоты, близкие к активному центру.

На молекулярном уровне PET46 очень похож на другой фермент — эстеразу феруловой кислоты. Это разрушает природный полимер лигнин в стенках растительных клеток, разрушая полимеры лигнина с высвобождением сахаров из древесных частей растений. Лигнин и ПЭТ имеют много структурных сходств, поэтому обнаруженные в природе ферменты, разлагающие ПЭТ, могут быть важны, например, для компостирования древесины в лесных почвах.

Биохимические свойства PET46 делают его очень интересным ферментом как для морских и наземных пластмасс, так и для биотехнологий. По сравнению с наиболее изученными ферментами, разлагающими ПЭТ из бактерий и растений для компостирования, ПЭТ46 более эффективен при 70°С, чем эти эталонные ферменты при соответствующих оптимальных температурах.