Генномодифицированный природный фермент эффективно разбирает пластик на кирпичики

 

Французские химики модифицировали природный фермент так, что он смог расщеплять на мономеры 90% полиэтилентерефталата (ПЭТ) — одного из наиболее распространенных видов пластика. Ученые взяли за основу кутиназу из листьев растений и повысили эффективность и стабильность этого фермента с помощью генной инженерии. Гидролиз ПЭТ занимает у модифицированного фермента всего 10 часов, а получаемая терефталевая кислота может быть очищена и использована для получения нового полиэтилентерефталата. Такой вторичный пластик по механическим свойствам не уступает пластику, синтезированному «с нуля» (из нефтепродуктов), а стоит значительно дешевле.

...

Впрочем, на практике с промышленным гидролизом ПЭТ пока дела обстоят непросто. Наличие множества ароматических фрагментов делает молекулу полиэтилентерефталата достаточно жесткой (малоподвижной) и химически инертной по отношению к гидролизу (E. Marten et al., 2005. Studies on the enzymatic hydrolysis of polyesters. II. Aliphatic–aromatic copolyesters). Один из возможных способов ускорить реакцию гидролиза заключается в использовании ферментов — особых веществ, которые катализируют химические реакции в живых системах, «помогая» им протекать в мягких условиях с высокой селективностью. Так как реакция гидролиза сложных эфиров в живых системах встречается часто, ученые стали искать энзимы, которые ускоряют такие реакции, и пробовать перенести их действие на гидролиз полиэтилентерефталата. Было описано уже несколько десятков подобных ферментов (R. Wei, W. Zimmermann, 2017. Microbial enzymes for the recycling of recalcitrant petroleum-based plastics: how far are we?), однако ни один из них не был достаточно эффективен для использования в промышленности. Кроме того, есть проблемы со стабильностью ферментов: гидролиз ПЭТ ускоряется при нагревании и лучше всего идет при температуре в районе температуры стеклования ПЭТ (65–75°C), когда молекула полимера становится более подвижной (A. M. Ronkvist et al., 2007. Cutinase-Catalyzed Hydrolysis of Poly(ethylene terephthalate)). Большинство ферментов при такой температуре постепенно разрушаются.

Настоящим прорывом в химической деградации ПЭТ стала недавняя совместная работа химиков из Института биотехнологии в Тулузе и компании Carbios. Вначале авторы сравнили между собой самые эффективные ферменты, которые уже были предложены ранее. Испытаниям подверглись пять разных ферментов: гидролазы BTA1 и BTA2 почвенной бактерии Thermobifida fusca, кутиназа патогенного гриба Fusarium solani pisi, ПЭТ-аза грамотрицательной бактерии и кутиназа компостных листьев LCC — фермент, который в природе отвечает за расщепление кутина, особого вещества, выделяемого верхним слоем листа растения для уменьшения потерь воды и состоящего преимущественно из жирных кислот и их эфиров.

...

Все четыре модифицированных фермента показали активность заметно выше, чем у исходной кутиназы LCC. При этом оба варианта с глицином оказались более эффективными, чем варианты с метионином. Эффективность двух глициновых вариантов (они обозначены ICCG и WCCG по первым буквам названий вводимых аминокислот) была очень близка: оба смогли расщепить 90% ПЭТ, но изолейциновый вариант справился быстрее (ему потребовалось 9,3 часа, а триптофановому — 10,5 часов).

В итоге именно ICCG-вариант модифицированного фермента LCC был выбран для испытаний в промышленных условиях. 20 килограммов полиэтилентерефталата измельчили и смешали с 78 литрами воды и 40 граммами фермента. Гидролиз проводили при температуре 72°C в слабощелочной среде (pH = 8), которую создали, добавив гидроксид натрия. После деполимеризации 90% исходного ПЭТ реакцию остановили и отделили твердый остаток полимера центрифугированием. Жидкую фазу затем пропустили через колонку с активированным углем и обработали раствором серной кислоты — это нужно, чтобы превратить терефталат натрия в терефталевую кислоту. После этого терефталевую кислоту можно отделить центрифугированием и перекристаллизацией.

Полученная таким образом терефталевая кислота имеет чистоту 99,8% и может быть использована для получения ПЭТ — здесь авторы придерживались стандартной методики: этерификация с этиленгликолем, затем поликонденсанция и твердофазная полимеризация. Скорость поликонденсации была такой же как в случае использования «первичной» терефталевой кислоты. Полученный полиэтилентерефталат также тщательно протестировали и убедились, что он не отличается от ПЭТ, полученного традиционным способом. Всего в этом эксперименте ученые получили 12 килограммов ПЭТ — 60% от того количества, которое исходно пустили на переработку. Из полученного полиэтилентерефталата также изготовили пластиковые бутылки для напитков и убедились, что по прозрачности и механическим свойствам они не уступают традиционным бутылкам.

Второй продукт деполимеризации — двуосновный спирт этиленгликоль — в настоящей работе не регенерировали, он остался в жидкой части продуктов реакции. Возможно, в дальнейшем можно будет перерабатывать и его тоже (и тем самым полностью разобрать и пересобрать заново молекулу ПЭТ), но пока что для получения ПЭТ использовали свежий этиленгликоль.

Еще одним продуктом реакции является сульфат натрия. Он получается, когда серная кислота реагирует с терефталатом натрия. На каждый килограмм перерабатываемого ПЭТ получается 600 граммов сульфата натрия — в пилотном эксперименте было получено 12 килограммов этого вещества, его тоже выделили и очистили. Сульфат натрия широко используется в современной промышленности (например, в производстве моющих средств, бумаги и стекла), поэтому этот продукт реакции пойдет не на свалку, а на продажу.

Предложенный в обсуждаемой работе метод гидролиза полиэтилентерефталата в мягких условиях и без использования дорогостоящего оборудования полностью готов к применению в промышленности. Авторы рассчитали, что при цене фермента 25 долларов за килограмм (получаемые промышленным способом целлюлозные ферменты сейчас стоят от 5 до 23 долларов за килограмм), стоимость фермента, необходимого для деполимеризации, будет составлять всего 4% от стоимости сырья для синтеза такого же количества ПЭТ «с нуля». По словам Алана Марти, сотрудника Carbios и одного из авторов статьи, его компания планирует перерабатывать по 90 тысяч тонн полиэтилентерефталата в год уже в 2025 году.

 

публикуется в сокращении, полный текст - https://elementy.ru/novosti_nauki/433679/Gennomodifitsirovannyy_prirodnyy_ferment_effektivno_razbiraet_plastik_na_kirpichiki

 

Наш комментарий: данная научная новость способна вызвать двойной баттхерт у «экологов» - во-первых, очередное подтверждение пользы от ГМО, во-вторых, сократятся их возможности спекулировать на «мусорной» проблеме