Капсулы с ферментом помогли пластику разложиться

Американские химики нашли новый подход к программируемой деградации пластиковых полимерных материалов. Они добавили в пластик небольшие капсулы с ферментом, катализирующим деполимеризацию. Если нагреть такой материал, фермент начинает расщеплять полимер изнутри, а капсулы помогают контролировать этот процесс. Внутрь капсулы может пролезть только хвост полимерной молекулы, поэтому полимерная цепь не рвется в произвольных местах, а расщепляется постепенно. Поликапролактон с инкапсулированным ферментом можно полностью разложить за 24 часа в буферном растворе или за двое суток в стандартном компосте. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Ученые уже давно ищут способы переработки пластиковых полимерных материалов. Один из вариантов — использование ферментов, белковых соединений, которые ускоряют химические реакции в живых системах. Так как реакции расщепления полимеров происходят и в живых организмах, можно выделить фермент, ускоряющий такую реакцию, и попробовать перенести его действие на расщепление похожего искусственного полимера. Впрочем, на практике это не так просто: искусственные полимеры более стабильны, и, чтобы расщепить их, нужны более жесткие условия, в которых многие ферменты сами начинают разрушаться. Обычно, чтобы расщепить пластик, его дробят на мелкие кусочки, нагревают и смешивают с ферментом, но можно поступить иначе: добавлять небольшие количества ферментов к полимеру с самого начала, еще на стадии изготовления материала. Такой процесс еще называют программируемой деградацией: при комнатной температуре фермент не взаимодействует с пластиком, но, если материал нагреть, фермент активизируется, запуская процесс деполимеризации. У этого способа множество преимуществ: пластик не нужно дробить на части, можно проводить процесс при более низкой температуре и использовать меньше фермента. Правда, и недостатков пока хватает: прочность материала от таких добавок ухудшается, а сам процесс деградации сложнее контролировать, в результате получается сложная смесь продуктов, а иногда — даже частицы микропластика.

Новый оригинальный подход к программируемой деградации пластика нашли американские материаловеды под руководством Тина Сюя (Ting Xu) из Университета Беркли в Калифорнии. Ученые предположили, что ключевую роль в процессе деполимеризации играет место атаки фермента. Если фермент атакует полимерную цепь в произвольных местах, то цепь каждый раз рвется на две цепи меньшей длины, и в результате деполимеризации получается смесь обрывков цепи разной длины. Если же фермент селективно связывается только с хвостом полимерной молекулы, то каждый раз, от полимера будет отрываться по одному звену, и в результате получится более гомогенная смесь коротких фрагментов полимера, которые затем можно использовать для получения нового пластика.

Чтобы деполимеризация шла по второму пути, авторы решили поместить фермент в небольшие капсулы с отверстиями. Пролезть в такое отверстие и вступить в реакцию с ферментом внутри может только хвост полимера, поэтому разрывы цепи в произвольных местах станут невозможны.

Вначале Сюй и его коллеги попробовали деполимеризовать поликапролактон. К полимеру добавляли 0,02 массовых процентов фермента липазы в капсулах размером от 50 до 500 нанометров. Оболочки капсулы изготовили из другого более прочного полимера — так называемого рандомного гетерополимера, состоящего из четырех типов звеньев, сшитых в случайном порядке.

Как показали методы просвечивающей и флюоресцентной микроскопии и калориметрии, капсулы с ферментом распределяются в материале равномерно и не влияют на кристалличность материала. Прочность поликапролактона тоже не пострадала: модуль упругости образца с инкапсулированной липазой был всего на десять процентов ниже, чем у контрольного образца без капсул.

Чтобы запустить процесс деградации, полимер помещали в слабощелочной буферный раствор и нагревали до температуры сорок градусов Цельсия. Образец практически сразу теряет целостность, и от него начинают отделяться частицы разного размера, в том числе и частицы микропластика. С помощью флюоресцентной микросокпии авторы проследили, что капсулы с ферментом сохранились внутри частиц и реакция деполимеризации продолжилась. В результате за 24 часа 98 процентов исходного поликапролактона разложилось до небольших отдельных молекул со средней массой менее 500 дальтон, которую в дальнейшем можно разделить и использовать. В контрольном образце с липазой без капсул поликапролактон превратился в смесь длинных фрагментов, разделить которую практически невозможно. Кроме того, поликапролактон с инкапсулированной липазой можно разложить и в стандартном компосте, правда на это потребуется чуть больше времени — около двух суток.

Сюй и его коллеги применили свой метод и к другим полимерным материалам. В поисках идеальных условий они тестировали разные ферменты, варьировали их количество, температуру раствора и состав оболочки капсул. С углеводородными полимерами — полиэтиленом и полистиролом — программируемая деполимеризация пока не работает. А вот полилактид удалось полностью разложить с помощью фермента протеиназы — за двое суток в буферном растворе или за шесть суток в компосте.

В начале месяца мы писали о полностью биоразлагаемом водостойком пластике из древесных опилок. Американские материаловеды показали, что если растворить содержащийся в древесине лигнин с помощью глубокого эвтектического растворителя, а затем вновь осадить его на волокна целлюлозы, то полученный материал будет иметь большую прочность и пластичность, например его можно раскатать в лист толщиной один миллиметр. А вот для микроорганизмов такой пластик почти не будет отличаться от обычной древесины — авторы закопали образцы нового пластика в почву и за три месяца они полностью разложились.

Наталия Самойлова