Ежегодно человечество выпускает в оборот сотни миллионов тонн пластика, большая доля которого впоследствии становится мусором. При этом приблизительно такое же количество людей испытывает нехватку продовольствия. Американские ученые разработали перспективное решение, позволяющее одновременно решить обе проблемы: с использованием дрожжей преобразовать пластиковые бутылки и сельскохозяйственные отходы в компоненты для питания. Хотя это может показаться фантастикой, лабораторный прототип технологии, реализующей подобное превращение, уже создан. В настоящее время перед исследователями стоит задача получить одобрение для проведения испытаний полученного продукта на людях.

По данным ООН, ежегодно человечество производитБолее четырехсот миллионов тонн пластика ежегодно попадает в окружающую среду. Около двух третей этого объема составляют изделия, предназначенные для однократного использования и быстро становящиеся отходами: согласно имеющимся данным, 46% пластиковых отходов захораниваются на полигонах, а еще 22% утилизируются ненадлежащим образом, загрязняя окружающую среду. Этот мусор накапливается в океане, проникает в почву и атмосферу, причем микропластик распространяется даже по воздуху. Обнаружение этих частиц в различных органах человека свидетельствует о серьезности проблемы яичниках и обонятельных луковицах мозга.

Тем не менее, вопрос обеспечения продовольствием остается актуальным: сотни миллионов человек в разных уголках планеты продолжают страдать от недостатка питания. Прогнозируется, что в 2025 году голодом будут страдать столкнулось7,8 процента населения Земли, что составляет 645 миллионов человек.

Специалисты в области науки и техники давно ведут поиск методов уменьшения объема пластиковых отходов и извлечения из них ценного сырья для производства продуктов питания. Ранее химики установили, что пластик представляет собой сложное органическое соединение с высоким содержанием углерода, а некоторые микроорганизмы обладают способностью расщеплять определенные типы пластика или продукты его разложения, используя углерод, содержащийся в них, для создания собственной биомассы, включая белки.

Ключевым открытием стало обнаружение в 2016 году бактерии Ideonella sakaiensis, обладающая способностью расщеплять ПЭТ – материал, применяемый при изготовлении пластиковых бутылок. Ее ферменты PETase и MHETase последовательно разрушают ПЭТ до более простых соединений, которые бактерия может использовать в качестве источника углерода и энергии.

Исходя из этого, у специалистов возникла идея: если сначала разрушить ПЭТ, а затем предоставить полученные соединения для переработки микроорганизмам, можно будет стимулировать их к преобразованию этих веществ в собственную биомассу и другие полезные продукты, включая белки. Именно эту концепцию исследователи предлагают использовать для получения пищевого белка из пластиковых отходов.

Тем не менее, современные технологии пока не позволяют масштабировать этот процесс из-за высоких затрат и зачастую недостаточной эффективности. Для решения этой задачи группа американских химиков и микробиологов под руководством Лахиру Джаякоди ( Lahiru N. Jayakody) из Университета Южного Иллинойса в Карбондейле выбрала альтернативный подход.

Исследователи объединили методы генной инженерии и окислительного гидротермального растворения. В сущности, они попытались с помощью дрожжей преобразовать углерод, содержащийся в пластиковых и растительных отходах, в питательные вещества.

В рамках исследования химики использовали стандартные пластиковые бутылки, приобретенные в продуктовых магазинах, а также кукурузные стебли и листья, образующиеся после сбора урожая. Исходное сырье подвергли окислительному гидротермальному растворению – процессу химической обработки, при котором под воздействием воды, кислорода, повышенной температуры и давления происходит расщепление материалов на более простые соединения, доступные для усвоения микроорганизмами.

Затем полученные компоненты были переданы различным видам дрожжей — Saccharomyces boulardii, Saccharomyces cerevisiae, Rhodosporidium toruloides. В рамках эксперимента один из образцов был предварительно генетически изменен посредством технологии CRISPR, что позволило интегрировать в его ДНК гены, кодирующие ферменты. При этом ученые не стремились к тому, чтобы один микроорганизм выполнял все необходимые процессы; различные виды были задействованы для выполнения различных задач, формируя, таким образом, «биологическую производственную линию».

Джаякоди и его коллеги генетически модифицировали Saccharomyces cerevisiae, чтобы дрожжи осуществляли преобразование феруловой кислоты, извлекаемой из растительного сырья, в ванилин – органическое соединение с характерным запахом ванили, широко используемое как ароматизатор в кулинарии, кондитерской промышленности и при создании парфюмерных композиций.

Для Rhodosporidium toruloides был использован метод адаптивной лабораторной эволюции. Это позволило улучшить способность бактерий использовать этиленгликоль – один из продуктов деструкции ПЭТ – в качестве источника углерода. В результате исследователям удалось добиться того, что Rhodosporidium toruloides данный организм начал синтезировать β-каротин, применяемый как пищевой краситель; при этом следует отметить, что человеческий организм способен преобразовывать β-каротин в витамин А.

Для создания нового продукта белковый компонент, полученный из дрожжей, соединили с крахмалом, клетчаткой, подсластителем и другими ингредиентами. Смешение компонентов посредством технологии трехмерной печати позволило получить готовое к употреблению печенье µBites со вкусом ванили. Авторы исследования, пояснилиустановлено, что лабораторные анализы не выявили каких-либо ограничений для употребления данного продукта в пищу. Однако полноценное сенсорное тестирование с участием потребителей пока не проводилось – для этого требуется получение соответствующего разрешения.

Специалисты во главе с Джаякоди предприняли попытку создания пищевого продукта на основе белка и пластика, однако их цель заключалась в разработке более качественного и привлекательного варианта, поскольку возможность использования подобных материалов была известна ранее.

Внедрение подобной технологии в массовое производство пока остается вопросом отдаленного будущего. По оценкам одного из участников проекта, появление таких продуктов на рынке возможно приблизительно через 20 лет. В течение этого периода необходимо будет провести проверку безопасности используемой технологии, разработать методы переработки пластиковых отходов с более высоким уровнем загрязнения и подтвердить соответствие полученных пищевых ингредиентов установленным стандартам пищевой промышленности.

Однако ключевая сложность кроется не исключительно в вопросах безопасности. Даже при успешном прохождении всех необходимых испытаний, данная технология вряд ли сможет обеспечить переработку существенного объема пластиковых отходов, учитывая масштаб глобального производства и накопления пластика, который требует совершенно иных производственных мощностей.

Эксперты также подчеркнули наличие экономических ограничений. Сбор этих отходов, разбросанных по городским территориям, свалкам и другим местам, сопряжен со значительными финансовыми затратами. Поскольку производство нового пластика остается относительно недорогим, переработка пластиковых отходов часто оказывается менее рентабельной с экономической точки зрения.

Существует и психологический аспект. Потребители все чаще сталкиваются с информацией о наличии микропластика в воде, продуктах питания и окружающей среде. В связи с этим, перспектива употребления печенья, изготовленного из переработанной пластиковой бутылки, может вызвать у потребителя не столько интерес, сколько опасение. Дополнительные вопросы возникают при использовании генетически модифицированных микроорганизмов в данном процессе.

В связи с этим ученые на данном этапе не считают данную технологию полноценным решением глобальной проблемы. Скорее, это исследование демонстрирует потенциальное направление для будущих разработок. Если микроорганизмы способны преобразовывать отходы в полезные продукты, то этот принцип можно будет адаптировать и применить не только для производства пищевых ингредиентов.

Исследователи представилиПредставители компании представили свои достижения на ежегодной встрече Американского химического общества, проходившей в Чикаго.