Один и тот же фермент почвенных бактерий разлагает пластик и антибиотики

Пластиковые отходы, разлагающиеся на микро- и нанопластик, — не просто стойкие загрязнители, но и среда для обитания микроорганизмов. Биопленки, сформированные на пластиковых поверхностях, называют пластисферой. Она представляет собой уникальную экосистему, в которой микроорганизмы, колонизирующие пластик, могут также его разлагать. Ученые из Германии исследовали микробные сообщества лесной почвы, способные разлагать алифатические длинноцепочечные полиэфиры (LCAP) — разновидность биопластиков. 

Авторы инкубировали пластиковые пленки, сделанные из LCAP, в гумусе смешанного леса в течение почти 15 месяцев, с лета 2021 года. После извлечения они выглядели целыми, но помутневшими, а сканирующая электронная микроскопия показала, что поверхность была повреждена — в ней образовались полости размером приблизительно с бактериальную клетку. В контрольных (не контактировавших с почвой) пленках таких повреждений не было. Ученые предположили, что в лесной почве присутствовали бактерии, которые расщепляли полимеры с помощью внеклеточных, возможно, поверхностных ферментов. 

Ученые оценили деградацию LCAP в более контролируемых условиях, поставив лабораторный эксперимент с микробными сообществами лесной почвы и измельченными полимерами. За ними наблюдали более 300 дней, отслеживая выделение углекислого газа. Примерно через 250 дней от 49% до 58% углерода из субстрата преобразовывалось в CO2 — это соответствует аэробному гетеротрофному росту. Утилизация других субстратов, таких как поликапролактон, полиэтилен и целлюлоза, происходила менее эффективно. 

Затем исследователи провели метагеномное секвенирование, чтобы выявить ферменты, деполимеризующие LCAP. Анализ кандидатов показал, что наиболее вероятные из них близки к представителям семейства карбоксиэстераз. Предсказание структуры одного из кандидатов, GID54916, с помощью AlphaFold3 указало на сильное сходство с эстеразой EstB бактерии Burkholderia gladioli. Эта эстераза относится к семейству VIII и имеет ряд консервативных особенностей, общих с β-лактамазами класса C (в том числе каталитический мотив). Эстеразы семейства VIII могут разлагать широкий спектр субстратов, но, как правило, не способны гидролизовать крупные молекулы β-лактамов. Однако предсказанная структура GID59416 имела гораздо более открытый активный центр — авторы пишут, что внешне этот белок напоминает Пакмана. Кроме того, фермент содержит липобоксный мотив, то есть скорее всего закрепляется на мембране клетки. 

Наконец, ученые подтвердили предсказанные свойства белка in vitro, экспрессировав его растворимый вариант в бактериальных клетках. Очищенный белок обладал эстеразной активностью и был способен также к гидролизу β-лактамов — пенициллина и ампициллина. Инактивацию ампициллина очищенным GID54916 подтвердили также в опытах с культурой E. coli — антибиотик терял способность ингибировать рост бактерии. 

Таким образом, авторы подтвердили двойную функциональность GID54916 как деполимеразы пластика и β-лактамазы. Открытие этого фермента с широким субстратным спектром объясняет связь между деградацией пластика и антибиотиков.

Морской червь умеет разлагать бактериальный полимер — основу для пластика