Биоинженеры по всему миру работали над созданием микробов, производящих пластик, которые могли бы заменить индустрию пластика на основе нефти. Теперь исследователи из Кореи преодолели главное препятствие: заставили бактерии производить полимеры, содержащие кольцевые структуры, которые делают пластик более жестким и термостойким.
Поскольку эти молекулы обычно токсичны для микроорганизмов, исследователям пришлось разработать новый метаболический путь, который позволил бы бактериям E. coli как производить, так и переносить накопление полимера и строительных блоков, из которых он состоит.
Полученный полимер является биоразлагаемым и имеет физические свойства, которые могут позволить его биомедицинскому применению, такому как доставка лекарств, хотя необходимы дополнительные исследования. Результаты представлены в Trends in Biotechnology .
«Я думаю, что биопроизводство станет ключом к успешному смягчению последствий изменения климата и глобального пластикового кризиса», — говорит старший автор Санг Ёп Ли, инженер-химик и биомолекулярный инженер Корейского передового института науки и технологий. «Нам необходимо сотрудничать на международном уровне для продвижения биопроизводства, чтобы мы могли обеспечить лучшую окружающую среду для нашего будущего».
Большинство пластиков, используемых для упаковки и промышленных целей, содержат кольцевые «ароматические» структуры, например, ПЭТ и полистирол. Предыдущие исследования позволили создать микробов, способных производить полимеры, состоящие из чередующихся ароматических и алифатических (не кольцевых) мономеров, но это первый случай, когда микробы произвели полимеры, состоящие исключительно из мономеров с ароматическими боковыми цепями.
Для этого исследователи сначала сконструировали новый метаболический путь, рекомбинируя ферменты из других микроорганизмов, что позволило бактериям производить ароматический мономер, называемый фениллактатом. Затем они использовали компьютерное моделирование для разработки фермента полимеразы, который мог бы эффективно собирать эти строительные блоки фениллактата в полимер.
«Этот фермент может синтезировать полимер более эффективно, чем любой из ферментов, доступных в природе», — говорит Ли.
После оптимизации метаболического пути бактерий и фермента полимеразы исследователи выращивали микробы в бродильных чанах объемом 6,6 л (1,7 галлона). Окончательный штамм был способен производить 12,3 г/л полимера (поли(D-фениллактат)). Для коммерциализации продукта исследователи хотят увеличить выход по крайней мере до 100 г/л.
«Исходя из его свойств, мы считаем, что этот полимер должен подходить, в частности, для доставки лекарств», — говорит Ли. «Он не такой прочный, как ПЭТ, в основном из-за более низкой молекулярной массы».
В будущем исследователи планируют разработать дополнительные типы ароматических мономеров и полимеров с различными химическими и физическими свойствами, например, полимеры с более высокими молекулярными массами, необходимыми для промышленного применения. Они также работают над дальнейшей оптимизацией своего метода, чтобы его можно было масштабировать.
«Если мы приложим больше усилий для увеличения выхода, то этот метод, возможно, удастся коммерциализировать в большем масштабе», — говорит Ли. «Мы работаем над повышением эффективности нашего производственного процесса, а также процесса восстановления, чтобы мы могли экономично очищать производимые нами полимеры».
