В последние годы ферментативная переработка завоевала популярность как более экологичная альтернатива традиционным методам переработки пластика, которые часто основаны на энергоёмких механических или химических процессах. Ферменты могут избирательно расщеплять полимеры, такие как ПЭТ (полиэтилентерефталат), который обычно используется в бутылках и упаковке для пищевых продуктов, на основные строительные блоки.
Инновационная стратегия
В новом исследовании учёные представили инновационную стратегию по удержанию этих ферментов в наноразмерных белковых отсеках, которые естественным образом производятся бактериями, упрощая их использование и продлевая срок их функциональной жизни. Работа опубликована в журнале Journal of Hazardous Materials.
Одним из основных препятствий для промышленной ферментативной переработки является стоимость и сложность производства и извлечения ферментов. Традиционные методы иммобилизации включают в себя несколько этапов, включая очистку ферментов и прикрепление их к твёрдым носителям.
Новая система
Система, разработанная исследовательской группой, преодолевает эти трудности, встраивая фермент непосредственно в наночастицы во время его экспрессии в E. coli с помощью одностадийного процесса, который сочетает в себе производство, иммобилизацию и стабилизацию. Это значительно снижает затраты и повышает возможность повторного использования.
Технология основана на IC-мечении, разработанном профессором Хосе Мануэлем Мартинесом Костасом и его группой в CiQUS. Она использует вирусный белок muNS-Mi, который самособирается в наноструктуры внутри бактериальных клеток.
Ферменты, помеченные короткой IC-последовательностью, спонтанно попадают в эти отсеки, в результате чего получаются полностью функциональные иммобилизованные ферменты прямо из клетки-хозяина — без необходимости хроматографии или дополнительных носителей. Хотя IC-мечение ранее использовалось для других биокатализаторов, это первый случай его применения к высокоэффективной ПЭТ-гидролазе.
Результаты
Команда использовала генетически оптимизированную версию фермента LCC, известного своей высокой эффективностью в разложении ПЭТ. Их система успешно расщепила реальные образцы пластика после потребления, включая пищевые лотки и лабораторную упаковку, достигнув более чем 90% деполимеризации менее чем за 72 часа. Более того, одна и та же партия фермента могла быть использована для двух последовательных реакций с минимальной потерей активности.
«Эти результаты выходят за рамки того, что было достигнуто ранее с иммобилизованными ферментами в лабораторных условиях», — говорит Адриан Лопес Тейейро, первый автор исследования. «Наша система предлагает мощный инструмент для поддержки промышленного внедрения ферментативной переработки ПЭТ и продвижения экономики замкнутого цикла для пластмасс».
Работа является частью проекта PETzyme и координируется Джеммой Эйбес (CRETUS) и Хосе Мартинесом Костасом (CiQUS). Команда в настоящее время работает над масштабированием метода и изучает его потенциал с другими промышленно значимыми ферментами в таких областях, как биокатализ, переработка отходов и создание устойчивых материалов.
Предоставлено Центром исследований в области биологической химии и молекулярных материалов (CiQUS).