Биологи из Университета Констанца обнаружили фермент, способный разрушать некоторые биоразлагаемые полиэфиры и одновременно расщеплять пенициллин. За необычную форму активного участка его назвали «ферментом Pac-Man». Результаты работы опубликованы в журнале The ISME Journal.
Исследователи Гарри Лернер и Давид Шлехек изучали, как почвенные микроорганизмы разлагают длинноцепочечные алифатические полиэфиры (LCAP). Образцы плёнки закопали примерно на 10 сантиметров в верхний гумусовый слой леса на территории ботанического сада университета. В этой части почвы активно разрушаются целлюлоза и другие природные полимеры, включая кутин — растительный полиэфир.
Параллельно учёные проводили лабораторные эксперименты с почвой из того же леса и наблюдали за процессом в течение года. О разложении материалов судили, в частности, по выделению углекислого газа, который образуется при переработке органических веществ микроорганизмами. В качестве контрольных образцов использовали целлюлозу, биоразлагаемые пластики PHBV и PCL, полиэтилен высокой плотности (HDPE), а также почву без добавок.
Все биоразлагаемые материалы полностью исчезли примерно за 250–330 дней, тогда как целлюлоза разрушилась приблизительно за 80 дней. Для HDPE практически никаких признаков разложения не обнаружили. Электронная микроскопия плёнок после пребывания в почве показала многочисленные отверстия, сопоставимые по размеру и форме с бактериальными клетками.
Учёные предположили, что бактерии используют деполимеразы — ферменты, расщепляющие крупные полимерные молекулы, — закреплённые на поверхности клеток. Генетический анализ почвенного сообщества выявил ген, количество которого особенно возрастало в образцах с LCAP. Он кодирует эстеразу с сигнальным участком для выхода из клетки и липидным якорем, удерживающим фермент на мембране, а широкая область активного центра позволяет ему взаимодействовать с полимерными цепями.
Структура фермента оказалась похожа не только на эстеразы, но и на бета-лактамазы — ферменты, способные разрушать бета-лактамное кольцо антибиотиков, включая пенициллин. Лабораторные испытания подтвердили двойную активность: фермент расщеплял полиэфирные цепи до мономеров и одновременно разрушал пенициллин. Как пояснил Гарри Лернер, это ещё не доказывает, что фермент обеспечивает живым бактериям устойчивость к антибиотикам.
Открытие показывает, что микробные сообщества могут осваивать некоторые синтетические материалы быстрее, чем предполагалось. Однако обычный полиэтилен бактерии почти не разрушали, поэтому найденный механизм не решает проблему уже накопившихся пластиковых отходов. Давид Шлехек считает, что при создании пластмасс следует использовать полимеры с химическими связями, доступными для микробного расщепления, например гидролизуемыми сложноэфирными связями в LCAP и других биоразлагаемых материалах.