В статье для издания The Guardian научный обозреватель Стивен Бураньи рассказал о том, как микробиологи пытаются развить в бактериях способность переваривать пластик. Naked Science публикует сокращенный перевод этого текста.
В 2001 году японские ученые сделали потрясающее открытие на мусорной свалке. В канаве с отбросами и грязью они отыскали пленку слизи, состоявшую из бактерий, охотно пожирающих пластиковые бутылки, детские игрушки и прочую рухлядь. Перерабатывая мусор, бактерии добывали из пластика углерод, чтобы получать энергию для роста, движения и деления на новые микроорганизмы, еще более жадные до пластика. По сути, бактерии поедали пластик, хотя это не совсем то же, что мы обычно понимаем под поеданием.
Ускоряя природу
Группой руководил Кохэй Ода — профессор Киотского технологического института. Его команда искала вещества, способные размягчить синтетические ткани из полиэфирных волокон вроде полиэстера, который изготавливается из того же пластика, что и большинство бутылок для газированных напитков. Ода уверен, что микробы уже решили все научные проблемы, которые только могут встать перед человечеством.
«Я говорю людям: следите за этими существами очень внимательно. У них часто возникают очень хорошие идеи», — сказал ученый.
Ода и его коллеги нашли на свалке нечто невиданное. Они надеялись отыскать какой-нибудь микроорганизм, развивший способность разрушать поверхностный слой пластика. Но обнаруженные бактерии делали гораздо большее: похоже, они полностью разлагали пластик, перерабатывая его в питательные вещества. Для современных людей, хорошо осведомленных о масштабах пластикового загрязнения, потенциал этого открытия совершенно очевиден. Но в 2001 году, за три года до того, как термин «микропластик» вошел в обиход, это «не считалось темой, представляющей большой интерес», заметил Ода. Предварительные статьи о бактериях, подготовленные его командой, так и не были опубликованы.
Теперь пластиковое загрязнение невозможно игнорировать. Примерно за 20 лет мы произвели 2,5 миллиарда тонн пластиковых отходов и каждый год производим еще около 380 миллионов тонн. К 2060-му это количество, по прогнозам, утроится.
Посреди Тихого океана образовалось скопление плавающего мелкого пластикового мусора, по площади в семь раз превосходящее площадь Великобритании. Пластик засоряет пляжи и переполняет свалки по всему миру. Частицы микропластика и нанопластика обнаруживают в овощах и фруктах, куда они проникают через корни растений. Они засели почти в каждом человеческом органе и могут даже передаваться через грудное молоко от матери к ребенку.
Существующие ныне методы уничтожения или переработки пластика крайне неудовлетворительны. В подавляющем большинстве случаев его дробят и размалывают, в результате чего волокна, из которых он состоит, истираются и ломаются, поэтому качество [после переработки] материала неуклонно снижается. Стеклянную или алюминиевую емкость можно переплавлять неограниченное количество раз, придавая ей новую форму. А, скажем, гладкий пластик бутылки деградирует с каждой переработкой.
Пластиковая бутылка превращается в пакет, тот становится волокнистой подкладкой куртки, затем наполнителем для дорожного полотна, который уже не перерабатывается. И это в лучшем случае. Потому что на самом деле всего 9% пластика попадает на перерабатывающие заводы. Единственным постоянным способом утилизации остается сжигание, которому ежегодно подвергается почти 70 миллионов тонн пластика. Однако это ведет к климатическому кризису, поскольку в воздух высвобождается углерод, а также вредные вещества, которые могут содержаться в пластике.
В течение нескольких лет после сделанного открытия Ода и его ученик Кадзуми Хирага, ныне профессор, продолжали переписываться и проводить эксперименты. В 2016 году они, наконец, опубликовали свою исследовательскую работу в престижном журнале Science. Ученые назвали бактерию, обнаруженную на свалке, Ideonella sakaiensis в честь города Сакаи, где ее нашли. В статье авторы описали специфический фермент, который вырабатывает эта бактерия. Он позволяет расщеплять полиэтилентерефталат (ПЭТ) — самый распространенный пластик, используемый при изготовлении одежды и упаковки.
Открытие Оды — только отправная точка. Когда бактерии впервые тестировали в лаборатории, ученые поместили их в пробирку с обрывком пластиковой пленки длиной два сантиметра и весом 20 граммов. При комнатной температуре они расщепили крошечный кусочек пластика примерно за семь недель. Это было впечатляюще, но слишком медленно для борьбы с пластиковыми отходами в промышленных масштабах. К счастью, за последние десятилетия ученые достигли выдающихся успехов при работе с ферментами.
Когда живому организму нужно расщепить какое-либо крупное соединение — будь то цепочка ДНК, сложный углевод или пластик, — он обращается к ферментам, крошечным молекулярным машинам внутри клетки, приспособленным для выполнения этой задачи. Ферменты помогают протеканию химических реакций на микроуровне — например, заставляя атомы сближаться друг с другом, чтобы было легче связать их, или скручивая сложные молекулы в определенных точках, чтобы сделать их менее прочными и заставить распадаться с большей вероятностью.
Если необходимо улучшить природные свойства фермента, есть способы, срабатывающие почти всегда. Химические реакции, как правило, активнее протекают при высоких температурах, но большинство ферментов наиболее стабильны при температуре организма, в котором они действуют, — в случае с человеком это плюс 37 градусов Цельсия. Переписывая ДНК, кодирующую фермент, ученые могут изменить его структуру и функцию, к примеру, сделав стабильнее при повышенных температурах, что помогает ему работать быстрее.
На этом пути существует много ограничений. Ученым понятно, как работает большинство ферментов, однако трудно предсказать, какие изменения заставят их работать лучше.
«Логика здесь, как правило, бессильна, приходится использовать другие подходы», — подчеркнула Элизабет Белл, исследователь из Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии (NREL) в Колорадо.
Белл занимается ПЭТазой — ферментом, который Ideonella sakaiensis производит для расщепления ПЭТ-пластика. Чтобы ускорить естественный ход эволюции, Белл берет участки фермента, работающие на пластике, и с помощью генной инженерии подвергает их всевозможным мутациям.
В дикой природе мутация фермента происходит один раз на несколько тысяч делений бактерии. Белл получает сотни и тысячи потенциально полезных мутантов. Затем она тестирует их на способность разлагать пластик. Кандидаты, которые демонстрируют хотя бы небольшой прогресс, проходят через новый этап мутаций. Созданный ею фермент может разлагать ПЭТ во много раз быстрее, чем исходный образец.
В поисках других путей
Но работы ведут не только в лабораториях. Подобно золотоискателям, высматривающим в реке крупицы драгоценного металла, биостаратели путешествуют по миру в поисках потенциально полезных микробов. В 2023 году команда из Чоннамского национального университета (Южная Корея) отправилась на муниципальную свалку и пробурила там 15-метровую скважину, чтобы обнаружить копившийся десятилетиями пластиковый мусор. В нем профессор Соо-Чин Ём и ее студенты выявили разновидность бактерии Bacillus thuringiensis, которая, по-видимому, смогла выжить за счет поедания полиэтиленовых пакетов. Сейчас группа изучает, какие ферменты может использовать бактерия и действительно ли она способна метаболизировать пластик.
Микробиолог из Портсмутского университета Саймон Крэгг охотится за микробами, способными поедать ПЭТ-пластик, в обширных мангровых болотах Вьетнама и Таиланда.
«Уже известные нам ферменты, которые разлагают пластик, очень похожи на природные ферменты, разрушающие оболочки листьев растений. Мангровые заросли тоже имеют на корнях подобную водонепроницаемую оболочку, а в самих болотах, к сожалению, скопилось неимоверное количество пластика», — рассказал Крэгг.
Он надеется, что бактерии, способные разлагать корни мангровых зарослей, смогут переключиться на пластик.
Большую часть примерно из 200 лет, на протяжении которых мы серьезно занимались изучением микробов, они находились в своего рода научной тюрьме: предполагалось, что это в основном патогены, которые необходимо уничтожать, или простые рабочие лошадки для нескольких важных промышленных процессов, таких как брожение вина или ферментация сыра.
«Еще 40-50 лет назад к микробиологии относились как к устаревшей науке», — говорил Хандельсман, бывший президент Американского общества микробиологии.
В XX веке, когда физики добились успеха в расщеплении атома, а биологи разработали классификацию растений и животных, ученые, занимавшиеся микроскопически малой частью живой природы, явно отставали. Но признаки скрытого мира, находящегося за пределами досягаемости, дразнили их воображение.
Еще в 1930-х годах микробиологи были озадачены несоответствием между формами микробной жизни, которые они наблюдали в природе, и теми ее проявлениями, которые они могли изучать в лаборатории. Они обнаружили, что если рассматривать в микроскоп каплю морской воды или щепотку грязи, то можно увидеть в них сотни удивительных организмов. Но если поместить тот же образец на питательную суспензию в чашке Петри, то на ней выживут и будут расти только несколько видов. Когда стали подсчитывать число микробных колоний, растущих в чашке, оказалось, это лишь ничтожная горстка по сравнению с тем, что было видно под микроскопом.
Подобно редким экзотическим животным, которые не могут процветать в неволе, большинство микроорганизмов казались непригодными для жизни в лаборатории. Таким образом, ученые замкнулись на исследовании того, что могло выжить в стесненных условиях.
Тем не менее нашлись микробиологи, которые попытались вырваться из этой смирительной рубашки и познать истинные масштабы микробного царства. История открытия пенициллина Александром Флемингом в 1928 году известна: споры гриба, распространившиеся по коридорам больницы Святой Марии и случайно поселившиеся в чашке Петри, содержали пенициллин, который оказался одним из самых мощных орудий медицины XX века.
Менее известна, но не менее значима история химика из Ратгерского университета Зельмана Ваксмана. Это он придумал термин «антибиотик», заметив, что некоторые почвенные бактерии вырабатывают токсины, убивающие или подавляющие другие бактерии, с которыми они конкурируют за пищу. Ваксман неустанно работал над тем, чтобы определить условия, необходимые для выращивания этих бактерий в лаборатории. И его усилиями в 1946 году был создан не только второй коммерчески доступный антибиотик, стрептомицин, но и следующие пять антибиотиков, выпущенных на рынок.
В итоге поиск микробов, продуцирующих антибиотики, оказался гораздо плодотворнее, чем ожидание, пока они случайно попадут в лабораторию. Сегодня 90% всех антибиотиков происходят от той группы бактерий, которые привели к открытиям Ваксмана.
Попытки, подобные той, что предпринял Ваксман, были относительно редкими. Только после открытия простых химических методов чтения последовательности ДНК, появившихся в 1970-х годах и ставших доступными с середины 1980-х, ситуация начала меняться. Внезапно микробы под микроскопом стало возможно каталогизировать и идентифицировать по ДНК. Это подсказывало, как они могут расти и функционировать.
Мало того, добавил Хандельсман, «мы увидели огромное генетическое разнообразие». Оказалось, «формы жизни, которые выглядели похожими, на самом деле были очень, очень разными. Это помогло нам осознать, как же много видов [микроорганизмов] существует».
Двадцать пять лет назад ученые сходились во мнении, что на земле, вероятно, насчитывается меньше десяти миллионов видов микробов. Но некоторые исследования последнего десятилетия показали, что их число достигает триллиона [такие цифры оспариваются рядом ученых — Прим. ред.], а подавляющее большинство до сих пор неизвестно. В человеческом организме обнаружили микробы, которые влияют на все: от нашей способности противостоять болезням до настроения. В океанских глубинах найдены микробы, живущие в кипящих термальных источниках. На нефтяных месторождениях обитают микробы, которые эволюционировали, чтобы расщеплять ископаемое топливо. Чем дольше мы будем искать, тем больше необычных открытий сделаем.
Пути эволюции микробов и ее скорость поразили бы Чарлза Дарвина и его современников. Микробы нашли возможность процветать даже в экстремальных условиях — отчасти потому, что они способны быстро делиться и их популяции могут исчисляться миллиардами, а еще потому, что у них в распоряжении есть такие эволюционные хитрости, которые неизвестны более сложным формам жизни, — например быстрый обмен ДНК между особями.
Как и говорил Кохэй Ода, микробы предлагают собственные решения для многих созданных человеком проблем. А люди сейчас создают все более экстремальные условия по всему миру.
Поиск новых микробов и работа с ними в лаборатории — только первые шаги. Нужно еще сделать решающий рывок — внедрить научные разработки в промышленность. Это не всегда просто.
Уничтожать или превращать
В случае с микробами такой рывок уже сделан. С 2021 года французская компания Carbios с помощью бактериального фермента ежедневно перерабатывает примерно 250 килограммов ПЭТ-отходов, расщепляя их на молекулы-предшественники, которые затем могут быть превращены в новый пластик. Это не совсем то же, что компостирование, но Carbios приблизилась к заветной цели: превратить пластик в материал, который можно бесконечно перерабатывать, подобно стеклу или алюминию.
В дикой природе бактерии производят лишь ограниченное количество фермента, разрушающего пластик. Чтобы ускорить процесс, Carbios платит биотехнологической компании за сбор и концентрацию чистого фермента из бактерий. Ученые из Carbios помещают заранее подготовленные пластиковые гранулы в водный раствор фермента внутри герметичного стального резервуара высотой несколько метров.
В соседней лаборатории, где тестируют процесс, можно наблюдать ту же реакцию, протекающую в меньших сосудах. Грязно-белые кусочки пластика кружатся в них, словно хлопья в снежном шаре. Через некоторое время пластик разрушается, его компоненты растворяются, оставляя за стеклом только сероватую жидкость. Теперь это уже не твердый ПЭТ, а два жидких химических вещества, называемых этиленгликолем и терефталевой кислотой, которые могут быть выделены и превращены в новый пластик.
Два года назад компания перерабатывала в лаборатории несколько килограммов пластика; сейчас объемы выросли до 250 килограммов в день. В 2025 году недалеко от границы с Бельгией Carbios откроет крупный завод, способный перерабатывать более 130 тонн пластика ежедневно.
Эммануэль Ладан, генеральный директор Carbios, рассказал, что сейчас компания в процессе переработки производит на 51% меньше выбросов, чем при производстве нового пластика. Дополнительное преимущество заключается в том, что не добывается новая нефть, поэтому общий объем пластика в мире не увеличивается.
Но смогут ли эволюционирующие микробы уберечь нас от пластикового кризиса? Некоторые ученые считают, что поле применения этой технологии останется ограниченным. В недавнем критическом обзоре в журнале Nature отмечалось, что многие виды пластмасс вряд ли можно будет эффективно разлагать с помощью ферментов из-за огромного количества энергии, необходимой для разрыва их химических связей.
Энди Пикфорд, профессор из Портсмута, признал наличие таких ограничений, но отметил, что податливых материалов тоже найдется немало.
«Нейлон прочный, но разлагаемый. Полиуретаны тоже разлагаемы», — напомнил он.
Эксперты из Carbios соглашаются с этим, предсказывая, что в течение нескольких лет они запустят процесс переработки нейлона. Если прогнозы сбудутся, около четверти всего пластика окажется пригодным для вторичного использования. Если выяснится, что для всех пластмасс, которые хотя бы теоретически подвержены расщеплению, существуют соответствующие ферменты, то на переработку можно будет отправлять почти половину всех пластиковых отходов.
Тем не менее большинство ученых стремятся лишь к тому, чтобы с помощью ферментов превращать старый пластик в новый. Это удручающе малые объемы переработки. В таком подходе есть экономический смысл, но он все еще предполагает производство пластика и затраты энергии для этого. И хотя переработка способна замедлить выпуск нового пластика, она не поможет нам избавиться от того непостижимого количества, которое мы уже изготовили.
Не нашелся еще такой микроорганизм, который мог бы разложить куски необработанного пластика — так же, как микробы делают это с органическим веществом, поселяясь на куче углерода — скажем, на безжизненном человеческом теле и через год или около того не оставляя ничего, кроме неперевариваемых фрагментов скелета.
Если ученые находят микробы, питающиеся пластиком, на бутылках, валяющихся на свалке или на скоплениях мусора в океане, то эти микробы способны лишь на легкое покусывание. Подобно ребенку, у которого прорезываются зубы, они не справятся с тем, что не было размягчено и не подносится им на ложечке.
В то же время микробы обладают способностью нейтрализовать некоторые из самых вредных токсинов на земле, очищая обширные площади. Это относится прежде всего к химическим веществам, которые существуют на планете миллионы лет, так что микробы успели почувствовать к ним вкус. Когда в 1989 году из танкера Exxon Valdez в залив Аляска вытек 41 миллион литров нефти, внимание СМИ было сосредоточено на работе экологов, чистивших перепачканных тюленей и тупиков. Но разлившееся вещество удаляли в основном бактерии, которые естественным образом питаются сырой нефтью. Чтобы ускорить их рост, вдоль береговой линии разбросали почти 50 тонн азотных удобрений.
Когда бывшую промышленную площадку в Стратфорде на востоке Лондона выбрали местом проведения Олимпийских игр 2012 года, оттуда вывезли более двух тысяч самосвалов почвы, загрязненной нефтью и другими химикатами. В течение нескольких недель эту почву насыщали азотом и кислородом, вызывая размножение бактерий, которые поглощали токсины. После этого землю вернули в Стратфорд, и теперь на ней находится Олимпийский парк.
Вопрос о том, можно ли проделать то же самое с пластиком, скопившимся в окружающей среде, вызвал гораздо меньше интереса и финансовых вливаний, чем поиски способов более эффективной его переработки.
«На рынке нет стимулов к тому, чтобы разгребать наши отходы, будь то CO2 или пластик. Инвестиции в переработку пластика окупаются. А кто будет платить за глобальные проекты, которые помогут человечеству в целом? Ситуацию может исправить только общественная поддержка», — сказал Виктор ди Лоренцо, эксперт Испанского национального биотехнологического центра в Мадриде и сторонник широкомасштабного применения микробов.
Начало конца пластмассового мира?
Помимо рыночных проблем, существует еще юридическая. Большинство стран запрещают выпуск в природу генетически модифицированных микробных видов без специального разрешения, которое выдается редко. Причины очевидны.
В научно-фантастическом рассказе 1971 года «Мутант 59: пожиратель пластмассы» вирус, обладающий способностью мгновенно расплавлять пластик, распространяется по миру, вызывая авиакатастрофы и разрушая дома. Вряд ли бактерии, поедающие пластик, обретут такое могущество, но если микробы сильно побеспокоить, это может иметь далекоидущие последствия.
Ди Лоренцо считает, что такое развитие событий маловероятно. ЕС уже профинансировал несколько групп, работающих над получением микробов и ферментов, способных превращать пластик в полностью биоразлагаемые материалы, а не просто в новый пластик. В 2022 году немецкая группа ученых внедрила ПЭТазу Ideonella sakaiensis в морские водоросли, отметив, что когда-нибудь она может быть использована для расщепления микропластика в океане.
Ода убежден, что мы в самом начале пути. «Как только 20 лет назад я увидел пленку микроорганизмов на пластике, понял, что это не один вид, а множество микробов, работающих вместе», — сказал он.
Пока Ideonella расщепляла пластик на промышленно ценные предшественники, другие микробы перерабатывали их в простые питательные вещества, которые могло использовать микробное сообщество. Это были симбионты — партнеры в некотором роде.
С тех пор Ода написал несколько статей, указывающих на то, что микробные сообщества могут быть преобразованы в систему для удаления микро- и нанопластика из почвы. Но эти научные работы не вызвали особого интереса.
