Биологи исследовали и описали белок МГЭТазу из двухферментой системы расщепления пластика ПЭТ бактерии Ideonella sakaiensis. Оказалось, что основной домен этого фермента похож на таковой у второго белка системы — ПЭТазы. Исследователи также обнаружили уникальные свойства обоих белков, которые позволяют им катализировать разные реакции — ступени расщепления ПЭТ. Исследовав активность двух ферментов, ученые создали из них белок-химеру, который перерабатывал пластик еще лучше. Исследование опубликовано в журнале PNAS.
Вопрос о переработке пластика сейчас стоит остро: этот продукт человеческой деятельности загрязняет все новые места. Недавно микропластик вслед за океаном и почвой обнаружили даже в воздухе. Частицы пластика уже нашли и в кишечниках антарктических беспозвоночных — то есть пластиковые отходы закрепились даже в пищевых цепях хрупких экосистем Антарктики.
Исследователи пытаются найти способы переработки пластика среди живых организмов: так, недавно открыли ферментативную систему бактерии I. sakaiensis. Эта система состоит из двух ферментов: ПЭТазы и МГЭТазы. Каждый из белков катализирует одну ступень расщепления ПЭТ — полиэтилентерефталата. Из этого материала изготавливают пластиковые бутылки, крышки, коврики, щетки, пленки, стаканы и многое другое. Этот пластик синтезируют из смеси терефталевой кислоты и этиленгликоля. До этих же веществ расщепляет ПЭТ двухферментативная система I. sakaiensis. ПЭТаза превращает ПЭТ в смесь МГЭТ, терефталевой кислоты и этиленгликоля, а МГЭТаза в свою очередь расщепляет МГЭТ.
Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемой энергии в Колорадо под руководством Джона Макгихэна (John E. McGeehan) восстановили кристаллическую структуру МГЭТ при помощи рентгеноструктурного анализа. Для этого ученые получили кристаллы белков (агрегаты молекул вне раствора) и подвергли их рентгеновскому излучению, а волны после дифракции зафиксировали. По дифракционной картине можно судить о расположении каждого атома в молекуле и, следовательно, установить ее структуру.
Несмотря на то, что ферменты катализируют разные реакции, оказалось, что молекула МГЭТазы похожа на молекулу ПЭТазы: их основные домены почти совпали, но у первой обнаружили отличающийся домен-крышку. Дальнейшие исследования структуры молекул показали, что специфичность субстрата у этих ферментов обеспечивает уникальные для каждого из них черты. Например, исследователи создали «бескрышечную» МГЭТазу («lidless» MHETase) и показали, что такой фермент не выполняет каталитические функции обычной МГЭТазы.
Также структуру белка поместили в молекулярный симулятор CHARMM: компьютерную модель, которая предсказывает свойства молекулы. Таким образом удалось установить, что деацилирование в активном центре (отщепление ацильной группы при катализе) — лимитирующая стадия работы фермента. Исследователи также сравнили активности разных форм и гомологов МГЭТаз и выявили важные для катализа аминокислоты.
Чтобы проверить, как два белка работают вместе, ученые обработали пластик ПЭТ только ПЭТазой и ПЭТазой в смеси с МГЭТазой в разных концентрациях. Оказалось, что пленка разлагается быстрее при наличии обоих ферментов, хотя именно ПЭТаза катализирует первую стадию распада. Тогда биологи просто «сшили» оба белка вместе и проверили работу химера. Оказалось, что такие ферменты работают лучше, чем любой из белков в отдельности как при переработке ПЭТ (p ≤ 0.0001), так и при расщеплении МГЭТ (p ≤ 0.0005).
Недавно французские исследователи синтезировали искусственный фермент, который способен расщеплять 90 процентов ПЭТ за 10 часов. Полученные вещества по свойствам не уступают изначальному сырью из нефтепродуктов, и поэтому могут использоваться повторно. Это позволит достичь замкнутого производственного цикла.
Аня Муравьева