Точечная замена одного атома повысила эффективность ферментов для переработки пластика
Исследователи из Австралийского национального университета (ANU) представили метод модификации ферментов, расщепляющих пластик, который позволяет повысить их активность без потери стабильности. Результаты работы, опубликованные в журнале Angewandte Chemie International Edition, открывают новые перспективы для промышленной переработки полиэтилентерефталата (PET) — одного из самых распространённых видов пластика в мире.
Суть открытия: один атом решает многое
Группа учёных под руководством доктора Элви Абделькадера из Школы химических исследований ANU применила подход, который меняет всего один атом в структуре фермента. Речь идёт о PET-гидролазах (PETазах) — ферментах, способных разлагать PET на составляющие молекулы.
Проблема, с которой сталкиваются инженеры-биотехнологи по всему миру, известна давно: чем активнее становится фермент, тем менее он стабилен. И наоборот. Это фундаментальное ограничение долгое время считалось почти непреодолимым.
«Ферменты можно оптимизировать снова и снова, но в какой-то момент повышение активности начинает снижать стабильность. Мы показали, что можно выйти за этот предел, внеся невероятно точное изменение — вплоть до одного атома — при этом в значительной степени сохранив структуру и стабильность фермента», — пояснил Абделькадер.
Как это работает: азотриптофаны
Исследователи ввели в структуру фермента неканонические аминокислоты — азатриптофаны. Они практически идентичны природному триптофану, но отличаются одним нюансом: в молекуле атом углерода с водородной группой заменён на атом азота.
Такая замена в одном конкретном сайте PET-разлагающего фермента позволила:
- Ускорить расщепление PET почти в два раза;
- Сохранить термическую стабильность фермента.
Это опровергает устоявшееся представление о том, что для улучшения свойств белка необходимы множественные мутации. Достаточно одной точной правки.
Новый метод тестирования: PETra
Второй важный результат работы — создание быстрого флуоресцентного теста PETra. Традиционные методы измерения активности PET-разлагающих ферментов занимают часы и даже дни. Новый подход позволяет получить результат за минуты.
Поскольку PET нерастворим и имеет сложную структуру, учёные использовали растворимый флуоресцентный субстрат в качестве его имитатора. Тест PETra показал высокую корреляцию с реальной эффективностью расщепления твёрдого PET, что значительно ускоряет скрининг новых вариантов ферментов.
Выход за пределы переработки пластика
Соавтор работы, профессор Томас Хубер, отмечает, что подход применим далеко за рамками утилизации отходов:
«Белки — это невероятно мощные машины, но при их конструировании мы обычно ограничены 20 аминокислотами, встречающимися в природе. Опираясь на опыт команды по сайт-специфическому введению неканонических аминокислот, мы можем вносить крошечные химические изменения, позволяющие настраивать белки с точностью, которая ранее была труднодостижима».
Потенциальные сферы применения:
- Экологичное производство (зелёная химия);
- Биотехнология;
- Медицина и фармацевтика.
Что это значит для рынка промышленной химии
Для предприятий, работающих в сфере переработки полимеров и производства химической продукции, эта новость — сигнал о скором появлении более эффективных биокатализаторов.
Внедрение модифицированных PETаз в промышленные процессы может:
- Снизить энергозатраты на стадии деполимеризации PET.
- Уменьшить себестоимость вторичного сырья (мономеров терефталевой кислоты и этиленгликоля).
- Открыть новые ниши для поставщиков специализированных реагентов и буферных систем, необходимых для работы ферментов.
Мы внимательно следим за развитием этого направления. Если ваше предприятие заинтересовано в подборе химических реагентов для биотехнологических процессов или в консультации по современным методам переработки полимеров — обратитесь к нашим специалистам.