Ученые Университета Конштанса нашли необычный фермент, который может расщеплять некоторые биополимеры и биоразлагаемые пластики, а ещё неожиданно способен разрушать пенициллин. Обнаружение открывает вопрос о том, как бактерии могут адаптироваться к разрушающим пластик материалам быстрее, чем считалось ранее, и какие последствия это может иметь для контроля загрязнения и антибиотикорезистентности. Исследование опубликовано в The ISME Journal.

Исследователи изучали микроорганизмов, обитающих в почвенной среде и в составе «пластиковой плакеты» (plastisphere), и анализировали их совокупный геном, чтобы выяснить, какие гены и ферменты участвуют в распаде пластиков. В работе особое внимание уделялось длинноцепочечным алифатическим полиэстерам (LCAP), которые разрушаются микробами, в отличие от более стойких обычных пластиков. Эти материалы нацелены на перспективы биоразлагаемости.

В ходе полевого эксперимента учёные заделали небольшие фрагменты биопластика LCAP в верхнем гумусном слое лесного участка ботанического сада университета и наблюдали за процессами в течение года; параллельно проводились лабораторные испытания с тем же материалом и различными контролями, включая целлюлозу, другие биопластики и HDPE. Результаты показали, что биопластики распадаются в среднем за 9–11 месяцев, cellulose — за около 80 дней, а HDPE практически не разрушается.

При анализе поверхности разрушенных образцов специалистам удалось зафиксировать многочисленные крошечные ямки, размером с клетку бактерии, что намекало на внедрение бактериями материала напрямую на поверхность пластику, а не только на разнос ферментов в окружающую среду. Ученые предположили, что бактерии покрыты деполимеризирующими ферментами на поверхности клетки, что позволяет им внедряться в материал и образовывать микротрещины.

Их ключевой находкой стал ген, значительно обогатившийся в почве с LCAP, кодирующий эстеразу — фермент, разрывающий связи в эстерах и способный работать на биополимерах. Важной особенностью стала его позиция на клетке: секретируемый наружу фермент удерживается липидной якорной связью и продолжает действовать на близлежащий полимер. Эти данные позволили учёным назвать фермент «Pac‑Man» из-за необычно широкого активного центра. Авторы подчёркивают, что это единственный пример двойной активности: фермент может расщеплять и полиэфирные цепи, и пенициллин.

Такое сочетание функций вызывает вопросы о возможной связи между распадом пластика и антибиотикорезистентностью: лабораторные опыты подтвердили, что «Pac‑Man» способен расщеплять и полимеры, и пенициллин. Однако учёные подчёркивают, что доказательство разложения пенициллина в лаборатории не означает, что бактерии станут устойчивыми к антибиотикам в природной среде. В целом исследование подчеркивает необходимость проектирования материалов, которые микроорганизмы действительно способны разрушать.