С помощью сконструированных бактерий впервые создан прочный и гибкий «нейлон»

Биопластик получился эластичным, но его производство обходится дороже, чем производство пластмасс из ископаемого топлива.

Исследователи впервые генетически сконструировали микробы для получения прочного, гибкого пластика, похожего на нейлон. В прошлом бактерии использовались для получения полиэфиров, таких как полигидроксиалканоаты (ПГА), но нейлоноподобные пластики, такие как те, что используются в производстве одежды и обуви, создавать было сложно, сообщают авторы в журнале Nature Chemical Biology.

"Эта работа прекрасна", - считает Колин Скотт, руководитель отдела ферментной инженерии компании Uluu (Австралия), которая использует микроорганизмы для производства компостируемых ПГА из морских водорослей. Ежегодно в мире производится около 400 миллионов тонн неразлагаемых пластиковых отходов и микропластика из нефтепродуктов, что создает угрозу для природы, здоровья людей и планеты. «Эта работа подчеркивает, как много биология может сделать для решения этого кризиса», - отмечает Скотт.

Бактерии естественным образом производят полимеры для хранения питательных веществ в условиях их нехватки, но использование бактерий для создания нейлоноподобного пластика является сложной задачей, поскольку в природе не существует ферментов, создающих этот тип полимера, говорит соавтор работы Санг Юп Ли, инженер-биомолекулярщик из Корейского института науки и технологий. Чтобы решить эту проблему, исследователи модифицировали гены, кодирующие ферменты, у ряда видов бактерий и вставили их в виде плазмид в кишечную палочку - бактерию, часто используемую для экспериментальной работы. Эти гены кодировали несколько новых для природы ферментов, способных соединять цепочки молекул и создавать полимеры. Конечным продуктом стал биопластик под названием полиэфирамид (ПЭА), который состоял в основном из полиэстера с несколькими амидными связями, подобными нейлону.

Нейлон - это полимер, на 100% состоящий из амидных связей, поэтому бактериям еще предстоит пройти определенный путь, прежде чем они смогут правильно имитировать этот тип пластика, говорит Юп Ли. Испытания показали, что один из видов ПЭА обладает физическими, термическими и механическими свойствами, сравнимыми со свойствами полиэтилена, одного из наиболее широко используемых коммерческих пластиков. Но Сейичи Тагучи, инженер по биопроизводству из Университета Кобе в Японии, считает, что пластик вряд ли будет таким же прочным, как полиэтилен, из-за низкой частоты встраивания аминокислот в полимеры. А добавление аминокислоты в полимер часто приводит к обрыву цепи, в результате чего образуются низкомолекулярные полимеры, пояснил он.

Адам Фейст, биоинженер из Калифорнийского университета, комментирует, что интересным аспектом исследования является то, что сконструированные клетки, по сути, сами заполняют себя полимером. По его словам, природная способность бактерий накапливать энергию и углерод «была использована для производства большого количества необходимых полимеров». Используя большой биореактор, исследователи сумели произвести около 54 граммов ПЭА на литр среды, что говорит о возможности увеличения масштабов производства. Однако еще предстоит преодолеть множество препятствий, прежде чем этот лабораторный эксперимент будет воплощен в промышленный процесс. Поскольку полимеры ПЭА громоздки, они не могут проникать через клеточные стенки; чтобы высвободить их, бактерий необходимо разрушить. Затем требуется процесс очистки, прежде чем продукт можно будет переработать в пленки или гранулы.

«В настоящее время наш микробный способ является более дорогостоящим, чем производство пластмасс из нефти», - говорит Юп Ли. Однако при дальнейшей оптимизации, по его словам, «мы ожидаем постепенного снижения стоимости производства».