Исследовательская группа успешно разработала новый фермент PET hydrolase — PET2-21M. Это позволило значительно улучшить биоразложение пластиковых бутылок из полиэтилентерефталата (ПЭТ). Также была продемонстрирована высокая активность по отношению к текстильным смесям ПЭТ с хлопком и ПЭТ с полиуретаном (ПУ) с помощью близкого по свойствам варианта PET2-14M-6Hot.
Исследование опубликовано в журнале
Исследование [опубликовано](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.5c01602) в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Значимый прорыв в решении глобальной проблемы
Этот значительный прорыв направлен на решение актуальной глобальной проблемы переработки отходов из ПЭТ, предлагая устойчивую и эффективную альтернативу традиционным методам переработки.
ПЭТ — широко используемый синтетический полимер, который применяется в производстве бутылок, текстиля и упаковочных материалов. Он занимает около 83% рынка синтетических волокон. Несмотря на то что ПЭТ можно переработать, традиционные механические методы часто приводят к снижению качества материала и имеют ограниченную эффективность для сложных смесовых материалов, таких как ПЭТ/хлопок и ПЭТ/ПУ.
Преимущества ферментативной переработки
Химическая переработка может производить материалы высокой чистоты, но обычно требует жёстких условий и экологически опасных реагентов, что ограничивает её практическую устойчивость. В качестве альтернативы выступает ферментативная переработка, способная деполимеризовать ПЭТ до исходных мономерных составляющих в более мягких водных условиях.
Для повышения эффективности разложения ПЭТ ферментом PET2 исследователи под руководством профессора Акихико Накамуры из Научно-исследовательского института зелёных наук и технологий Университета Сидзуока (также профессор Института молекулярных наук до марта 2025 года) в сотрудничестве с исследователями Такаси Мацудзаки и Тосиюки Саэки из Kirin Holdings Co., Ltd., профессором Рётой Ино из Института молекулярных наук и профессором Нобуясу Кога из Института исследований белков Университета Осаки применили обширную инженерную стратегию.
Они систематически использовали как случайный, так и целенаправленный мутагенез, объединив семь вновь выявленных полезных мутаций с ранее описанным модифицированным вариантом PET2-7M, в результате чего был получен высокоактивный фермент PET2-14M. Дополнительные поверхностные модификации, которые ввели положительные заряды для улучшения связывания субстрата, и стратегические изменения в расщелине связывания субстрата на основе другого фермента HotPETase в качестве структурного шаблона привели к созданию PET2-14M-6Hot. Дальнейшая оптимизация привела к созданию окончательного модифицированного варианта PET2-21M.
Масштабное производство ферментов PET2-14M-6Hot и PET2-21M было достигнуто в дрожжах-хозяевах Komagataella phaffii. Примечательно, что PET2-14M-6Hot достиг выхода до 691 мг/л после 137 часов культивирования, демонстрируя высокую эффективность экспрессии без гликозилирования-индуцированной гетерогенности.
Фермент PET2-21M продемонстрировал значительно повышенную каталитическую активность по сравнению с исходным ферментом дикого типа PET2. Начальные мелкомасштабные анализы показали, что общий выход продукта примерно в 28,6 раза больше. Последующие крупномасштабные эксперименты в 300 мл реакторах подтвердили эти улучшения.
Результаты экспериментов
- PET2-21M деполимеризовал примерно 95% коммерческого порошка из ПЭТ-бутылок (20 г/л) в течение 24 часов при 60 °C, в то время как эталонный фермент LCC-ICCG требовал своей оптимальной температуры 72 °C для достижения сопоставимого преобразования 91%.
- При снижении концентрации фермента вдвое до 2,5 мг/л PET2-21M сохранил эффективность разложения около 50%, почти удвоив производительность LCC-ICCG, который достиг только 26% конверсии в идентичных условиях.
- При более высокой загрузке субстрата (40 г/л) при дозировке фермента 10 мг/л PET2-21M достиг 79% конверсии при 60 °C, почти сравнявшись с LCC-ICCG при его более высокой оптимальной температуре (72 °C).
Эти результаты подтверждают значительный потенциал семейства ферментов PET2 для промышленного применения в ферментативной переработке. Их способность эффективно разлагать различные отходы из ПЭТ, включая сложные текстильные смеси при умеренных температурах, убедительно свидетельствует о более широких преимуществах применимости и устойчивости в процессах переработки ПЭТ.