Микроорганизмы, поедающие пластик, распространены гораздо шире, чем считалось

Фото из открытых источников

Ученые выявили более 600 000 микробных белков, способных расщеплять природные и синтетические пластмассы, у практически всех известных микроорганизмов. Результаты исследования опубликованы в журнале Environmental Technology & Innovation.

В исследовании пластиковое загрязнение рассматривается как проблема, возникающая в биосфере, уже обладающей широкими молекулярными возможностями для реагирования.

Анализ глобального каталога микробных белков показывает, что сигналы из океанов, почв, горячих источников и полярных образцов демонстрируют общую способность расщеплять пластиковые полимеры.

Пере Пуигбо из Университета Турку продемонстрировал, что эти белки, разлагающие пластик, присутствуют более чем у 95% исследованных видов микроорганизмов. 

Этот эффект распространяется как на бактерии, так и на археи, что указывает на то, что данная способность не ограничивается изолированными группами, а присуща всей микробной жизни. Однако само наличие этих генов оставляет открытым вопрос о том, насколько последовательно они приводят к реальному разрушению пластика в различных средах.

Команда исследователей сгруппировала похожие белки в ортологичные группы — семейства генов, произошедшие от общих предков. Такой подход позволил им сравнивать широко разнесенные микробы по одним и тем же параметрам, даже если организмы происходили из совершенно разных местообитаний.

В референсных геномах эти связанные с пластиком белки составляли около 3,5% от всех зарегистрированных микробных белков. По сравнению с PlasticDB, более ранней и меньшей по размеру базой данных, новый каталог расширил область поиска с чуть более чем 100 ферментов до сотен тысяч.

Не все виды пластика оказались одинаково уязвимыми, и наиболее четкие закономерности проявились, когда команда отсортировала материалы по химическому составу.

Из 39 изученных типов пластика 11 встречались в природе, а 28 были созданы человеком, и многие из наиболее сильных сигналов были обнаружены в более сложных по химическому составу видах пластика. В этих пластмассах кислород или азот помещаются внутрь самой цепи, предоставляя ферментам больше химических участков, к которым они могут связываться и которые могут расщеплять.

Эта закономерность помогает объяснить, почему трудноразрушаемые материалы не все одинаково устойчивы к микробному разрушению после фрагментации. В 23 различных средах одни и те же семейства белков не встречались повсеместно в одинаковых пропорциях.

Образцы почвы и эндолитических микроорганизмов, обитающих внутри трещин и пор в горных породах, выделялись необычайно богатым содержанием ферментов, связанных с пластиком.

В водной среде многие группы были распространены, однако некоторые кластеры демонстрировали более прочное положение на суше, чем в воде.

Такое неравномерное распределение предполагает, что местные условия, от недостатка питательных веществ до температуры, влияют на то, какие способности к разрушению пластика сохраняются.

Изучая прокариоты — микроорганизмы без клеточного ядра, — исследователи обнаружили, что бактерии обладают более широким спектром навыков работы с пластиком, чем археи. В среднем бактериальные геномы содержали около 20 соответствующих групп, тогда как геномы архей содержали в среднем примерно 11.

Тем не менее, сигнал от архей имел значение, поскольку пластиковое загрязнение достигает мест с низким содержанием кислорода и экстремальных условий, где археи часто процветают.

Эта более широкая тенденция в изучении бактерий может послужить ориентиром для будущих исследований, но она не исключает археи из процесса очистки.

Микропластик уже накапливается на дне океана, где, по одной из оценок, его количество достигает около 14 миллионов тонн. На пластиковых поверхностях многие микробы сначала образуют биопленку — липкий общий слой, который помогает ферментам оставаться на месте. Затем секретируемые белки могут разрезать длинные цепочки на более мелкие фрагменты, которые клетки могут использовать в качестве пищи. 

Исследователи давно называют эти связанные пластиком сообщества пластисферой, и данное исследование расширяет эту идею до гораздо более масштабного геномного исследования. Каталог служит инструментом поиска для следующего этапа экспериментов, а не окончательным вердиктом.

Поскольку в основе системы лежит набор эталонных данных, охватывающий 2296 видов микроорганизмов, исследователи могут сравнивать новые образцы на фоне широкого эволюционного контекста.

Это особенно важно в метагеномике, секвенировании ДНК целых сообществ, где ученые часто знают микробы раньше, чем ферменты. При таком использовании база данных может сузить круг поиска до начала дорогостоящих лабораторных исследований.

Наибольший практический потенциал может заключаться в создании пластмасс, которые соответствуют ферментативным возможностям, уже распространенным в местных экосистемах.

«Этот ресурс дает глобальное представление о потенциале биоразложения, заложенном в природе», — говорит соавтор исследования Михо Накамура из Университета Турку и Токийского института науки.

На практике это означает, что ферменты из холодных почв, горячих источников или морской среды могут послужить основой для разработки более специализированных инструментов переработки отходов.

Исследование также опровергает стратегию «один размер подходит для всех», поскольку полимер, разлагающийся в одной среде, может сохраняться в другой.

Через все исследование проходит одно жесткое ограничение: перспективный ген — это не то же самое, что работающий фермент.

Совпадение последовательностей может указывать на вероятный химический состав, однако реальная активность по-прежнему зависит от температуры, окружающих питательных веществ и наличия изношенного пластика. Поэтому лабораторные анализы должны подтвердить, действительно ли исследуемый материал способен разрезать полимеры, или же он лишь похож на материал, способный это делать.

Такая осторожность позволяет сохранить результаты полезными, а не преувеличивать их значение, и создает предпосылки для экспериментов, которые сейчас имеют наибольшее значение.

Природа, по-видимому, обладает гораздо большим потенциалом для переработки пластика, чем предполагали ученые ранее, и этот потенциал зависит от экологии. Теперь вопрос о том, станут ли эти гены практическими инструментами для очистки окружающей среды, зависит от тщательного тестирования, более продуманного дизайна материалов и соответствия местным условиям.