Учёные сделали важный шаг к тому, чтобы получать этилен с помощью бактерий, а не из нефти и газа. Этилен очень нужен химической промышленности — из него делают много видов пластика.

Исследователи выяснили, какой именно фермент внутри бактерий расщепляет органические соединения серы и превращает их в этилен. Им впервые удалось выделить этот фермент из бактерий, чтобы изучить, как он устроен и как работает.

Один из авторов работы, Джастин Норт, доцент кафедры микробиологии Университета Огайо, объясняет:

Нам хотелось понять, как ферменты этих бактерий производят этилен. Тогда в будущем мы сможем использовать их для устойчивого производства обычного пластика, который нам нужен каждый день.

Результаты опубликовали в журнале Nature Catalysis. Это продолжение их же исследования 2020 года, которое вышло в Science. В новой работе к группе Норта присоединилась Ханна Шафаат, профессор химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а также специалисты из Объединённого института генома при Министерстве энергетики США и Лаборатории биомолекулярной структуры в Брукхейвенской национальной лаборатории.

Сначала учёные знали только, какие гены в бактериях отвечают за фермент, превращающий органическую серу в этилен. Этот фермент называется метилтио-алканредуктаза, или MAR для краткости. Исследователей удивило вот что: по своему устройству MAR оказался очень похож на древние ферменты нитрогеназы, с помощью которых бактерии превращают атмосферный азот в удобрение.

Чтобы превратить гены в реальный белок, который можно изучить, группа Норта обратилась в Объединённый институт генома. Ясуо Йошикуни, руководитель направления синтеза ДНК в институте, собрал несколько вариантов генов MAR. Их передали исследователям из Огайо, и те вживили гены в свою почвенную бактерию Rhodospirillum rubrum. Так они заставили микроба производить нужный белок.

Сривидья Мурали, научный сотрудник лаборатории Норта, сумела найти способ выделить MAR в чистом виде.

Мы очень обрадовались, когда получили чистый фермент для изучения, — говорит Норт. — Никому раньше это не удавалось.

Как только фермент оказался у них в руках, началось самое интересное. Главный сюрприз — насколько MAR близок к нитрогеназе. У нитрогеназы один из самых сложных металлических кластеров в природе: в нём есть железо и сера, и именно он отвечает за химические превращения. Раньше считалось, что такие хитрые металлические катализаторы бывают только у нитрогеназ.

Но точные спектроскопические измерения, которые провела группа Шафаат, показали, что MAR устроен ничуть не проще. Учёные смотрели, как металлические центры MAR получают электроны и используют их, чтобы отрывать серу от органических соединений и делать этилен.

Шафаат сравнивает это так:

Если посмотреть на металлические центры MAR, то кажется, будто смотришь в зеркало и видишь по ту сторону старшего родственника нитрогеназы. Как фермент проводит электроны через огромный белковый комплекс, чтобы выполнить очень конкретную реакцию — это изящно, но заметно отличается от того, как нитрогеназа фиксирует азот для удобрений.

Тут подключились специалисты из Брукхейвенской лаборатории. Гуобин Ху и Дейл Крейтлер первыми в мире расшифровали структуру MAR и его сложного металлического кофактора с помощью криоэлектронной микроскопии. Оказалось, что MAR действительно похож на нитрогеназу по конструкции. У него такие же, но не совсем, металлические кофакторы. Отличия — и в самих металлах, и в том, что их окружает. MAR предпочитает одно строение для отрыва серы и получения этилена, а нитрогеназа — другое для фиксации азота.

Эти открытия помогают нам понять, как устройство MAR позволяет ему работать именно так, — говорит Норт. — Теперь мы думаем, как сконструировать улучшенную версию MAR, которая будет делать этилен ещё лучше, чем природная.

Конечная цель — сделать процесс настолько дешёвым, чтобы он мог за собой нефть и газ. «Мы продвигаемся, и это исследование — важная веха на пути к цели», — заключает Норт.

Польза этого исследования для науки и жизни огромна, хотя напрямую до заводов ещё далеко.

Вот два главных направления пользы:

• Для будущих исследований: учёные впервые получили чистый фермент MAR и увидели его структуру. Это как получить чертежи неизвестного механизма. Теперь можно целенаправленно менять отдельные детали и смотреть, что получится. Кроме того, открылась целая новая группа ферментов — «родственников» нитрогеназы, о которых раньше не подозревали. Это расширяет фундаментальные знания о том, как микробы умеют колдовать с химией.
• Для реальной жизни: если инженеры смогут сделать MAR производительным и дешёвым, то этилен перестанут получать из нефти. Это снизит выбросы парниковых газов и зависимость от ископаемого топлива. Пластик останется с нами (от упаковки до медицинских трубок), но его производство станет экологичнее. Кроме того, тот же подход можно попробовать применить и к другим ценным химическим веществам.

Несмотря на важность работы, нельзя закрывать глаза на несколько вещей.

• Лабораторные условия далеки от реальных. Исследователи работали с очищенным ферментом в пробирке. В реальности бактерии живут в сложной среде, конкурируют с другими микробами, им не хватает питания. То, что красиво работает в идеальных условиях, может рассыпаться на практике.
• Неизвестна экономика процесса. В статье ни слова о том, сколько энергии и ресурсов нужно, чтобы заставить бактерии или выделенный фермент производить этилен в больших количествах. Сейчас этилен из нефти получается копеечным. Чтобы его заменить, биологический способ должен быть не просто «зелёным», а очень дешёвым. Пока нет и намёка, что это возможно.
• Сырьё для бактерий — конкуренция с едой. Фермент MAR ест органические соединения серы. Откуда их массово брать? Если из растений — это опять поля, удобрения, вода. Возникает риск, что вместо одной проблемы (нефть) мы получим другую (биотопливо из еды). Авторы обходят этот вопрос молчанием.

Ранее ученые заставили углекислый газ вернуть долги.