Бактерии превращают пластик в паучий шёлк
Исследователи из Политехнического института Ренсселера создали штамм бактерий, способный превращать пластиковые отходы в биоразлагаемый паучий шёлк с широким спектром применения.
Их новое исследование, опубликованное в Microbial Cell Factories, стало первым случаем, когда учёные использовали бактерии для преобразования полиэтиленового пластика — того, что используется в одноразовых изделиях — в высокоценный белковый продукт.
Этот продукт, названный исследователями «биовдохновлённым паучьим шёлком» из-за сходства с шёлком пауков, имеет применение в текстильной промышленности, косметике и даже медицине.
«Паучий шёлк — это природный кевлар. Он может быть почти таким же прочным, как сталь, при растяжении. Однако он в шесть раз менее плотный, чем сталь, поэтому очень лёгкий. Как биопластик, он эластичный, прочный, нетоксичный и биоразлагаемый», — говорит Хелен Чжа, доктор философии, доцент химического и биологического инжиниринга.
Полиэтиленовый пластик — крупнейший источник пластикового загрязнения в мире, и для его естественного разложения может потребоваться более 1000 лет. Бактерии, использованные в исследовании, могут помочь «апсайклить» часть этих отходов.
Бактерия Pseudomonas aeruginosa, использованная в исследовании, естественным образом потребляет полиэтилен в пищу. Команда инженеров смогла модифицировать эту бактерию, чтобы она преобразовывала атомы углерода из полиэтилена в генетически закодированный шёлковый белок. Новые бактерии производили шёлковый белок с эффективностью, сопоставимой с традиционно используемыми в биопроизводстве штаммами.
«По сути, бактерии сбраживают пластик. Ферментация используется для производства и сохранения всех видов продуктов, таких как сыр, хлеб и вино, а в биохимической промышленности — для производства антибиотиков, аминокислот и органических кислот», — объясняет Маттеос Коффас, доктор философии.
Чтобы бактерии могли ферментировать полиэтилен, пластик сначала «предварительно переваривают». В исследовании сотрудники из Аргоннской национальной лаборатории деполимеризовали пластик путём нагрева под давлением, получив мягкое воскообразное вещество. Этот воск, нанесённый на дно колб, служил источником питательных веществ для культуры бактерий, в отличие от типичной ферментации, где используются сахара.
«Это как если бы вместо того, чтобы кормить бактерии тортом, мы кормим их свечами с торта», — говорит Чжа.
После 72 часов на качающейся термоплатформе бактерии выполнили свою работу. Учёные отфильтровали бактерии из жидкой культуры, очистили шёлковый белок и лиофилизировали его. На этой стадии белок, напоминающий клочки ватных шариков, потенциально можно спрясть в нить или придать ему другие полезные формы.
«Что действительно захватывает в этом процессе, так это то, что в отличие от современного производства пластиков, наш процесс требует мало энергии и не использует токсичные химикаты. Лучшие химики мира не смогли бы превратить полиэтилен в паучий шёлк, а эти бактерии могут. Мы действительно используем то, что разработала природа, для производства», — отмечает Чжа.
Прежде чем продукты из переработанного паучьего шёлка станут реальностью, исследователям необходимо найти способы производить шёлковый белок более эффективно.
«Это исследование доказывает, что мы можем использовать эти бактерии для преобразования пластика в паучий шёлк. Наша будущая работа будет посвящена изучению того, позволят ли модификации бактерий или других аспектов процесса масштабировать производство», — говорит Коффас.