Пластиковый мусор оказался не просто долговечной кучей отходов, а новым местом для микробной эволюции. Бактерии осваивают поверхность полимеров, образуют целые сообщества и, похоже, постепенно приобретают инструменты для использования непривычного источника пищи. Исследователи обнаружили фермент, способный расщеплять полиэфирный пластик и одновременно обезвреживать пенициллин. Подобная двойная функция может давать микробам сразу два преимущества и влиять на развитие созданной человеком «пластисферы».
Фермент LCPH1 обнаружили при изучении бактерий из лесной почвы. В опубликованном исследовании ученые проверяли, как микробные сообщества разлагают длинноцепочечные алифатические полиэфиры LCAP. Материалы относятся к перспективным биоразлагаемым пластикам и содержат химические связи, которые ферменты способны разрывать значительно легче, чем связи в полиэтилене или других трудноразлагаемых массовых полимерах.
Небольшие фрагменты LCAP-пленки закопали в богатую гумусом почву Ботанического сада Университета Констанца и оставили более чем на год. Электронный микроскоп позднее показал микроскопические углубления размером и формой с отдельные бактериальные клетки. Параллельные лабораторные эксперименты подтвердили, что почвенные сообщества действительно используют некоторые LCAP в качестве источника углерода. Два исследованных варианта полиэфира почти полностью минерализовались за восемь-десять месяцев, тогда как для третьего степень превращения углерода полимера в CO2 остановилась примерно на 20%.
Секвенирование ДНК помогло найти ген фермента семейства VIII эстераз, особенно часто встречавшийся в сообществах, выращенных на LCAP. Получивший название LCPH1 белок оказался необычным сразу по нескольким признакам. Структурная модель показала очень широкий открытый активный центр, куда могут помещаться крупные молекулы. Из-за характерной формы исследователи прозвали белок ферментом «Пакман».
Главный сюрприз появился после сравнения LCPH1 с бактериальными бета-лактамазами. Бета-лактамазы разрушают бета-лактамное кольцо антибиотиков и способны защищать бактерии от пенициллинов и родственных препаратов. Моделирование показало, что активный центр LCPH1 подходит как для цепочек полиэфира, так и для антибиотиков, после чего ученые проверили обе реакции экспериментально.
Очищенный LCPH1 расщеплял полиэфир с образованием отдельных мономеров, а в опытах с антибиотиками гидролизовал пенициллин G и ампициллин. При заданных лабораторных условиях пенициллин G почти полностью исчез за 24 часа. Дополнительный тест показал, что обработанный ферментом ампициллин терял способность подавлять рост бактерий E. coli.
Предполагаемое расположение LCPH1 на наружной мембране делает двойную функцию еще интереснее. Закрепленный на поверхности клетки фермент может расщеплять полимер прямо возле бактерии, позволяя быстрее поглощать образовавшиеся мономеры и не отдавать питательные вещества соседним микроорганизмам. Одновременно бета-лактамный антибиотик может разрушаться еще снаружи клетки, прежде чем достигнет внутренних мишеней.
Подобный механизм предлагает возможное объяснение давней загадки пластисферы. На пластиковых поверхностях исследователи неоднократно находили повышенное количество генов устойчивости к антибиотикам. LCPH1 показывает, что один фермент способен одновременно помогать микробу получать пищу из полиэфира и защищаться от бета-лактамных препаратов. В результате отбор по способности использовать пластик теоретически может попутно поддерживать признаки антибиотикорезистентности.
Авторы отдельно подчеркивают, что результат не доказывает прямого превращения пластикового мусора в фабрику устойчивых бактерий. Исследование выявило биохимический механизм, способный создавать двойное эволюционное преимущество, а реальное влияние механизма на распространение устойчивости в природе еще предстоит выяснить. Возможен и обратный сценарий: некоторые ферменты могли первоначально выполнять функции бета-лактамаз, а затем постепенно приспособиться к расщеплению синтетических полиэфиров.
Пластисфера представляет собой очень молодой по эволюционным меркам мир. Значительные объемы синтетических полимеров появились в окружающей среде лишь около 50-75 лет назад, но бактерии, грибы и другие микроорганизмы уже заселяют пластиковые поверхности и используют доступные химические возможности нового субстрата. Находка LCPH1 показывает, насколько неожиданным может оказаться направление подобной адаптации: способность есть созданный человеком материал способна развиваться вместе с признаками, напрямую влияющими на устойчивость микробов к лекарствам.