Учёные при поддержке NASA научились превращать пластиковые отходы в съедобное печенье

Это печенье изготовлено из растительных отходов и пластика и может накормить людей повсюду — от подводных лодок до космических кораблей. Фото: SIU Carbondale

Пластиковые бутылки и печенье, казалось бы, не имеют ничего общего, но исследователи находят способ связать эти две вещи. С помощью генной инженерии дрожжей учёные разработали систему, способную превращать соединения из пластиковых и сельскохозяйственных отходов в съедобные белки, витамины, ароматизаторы и другие пищевые ингредиенты.

Такой подход может стать новым способом переработки трудноутилизируемых отходов и одновременно помочь производить еду там, где обычные запасы ограничены. Потенциальные сферы применения — от зон стихийных бедствий на Земле до пилотируемых миссий в дальний космос.

Свои результаты исследователи представили на осенней конференции Американского химического общества (ACS) в рамках симпозиума «Исследования в области биохимии и химической биологии» в McCormick Place.

«Микробы очень умны. Поэтому мы используем их свойства, чтобы решать проблемы, которые создали сами» — Лахиру Джаякоди

Превращение пластиковых отходов в еду

Загрязнение пластиком и нехватка продовольствия — две крупные глобальные проблемы, и исследователи из Университета Южного Иллинойса (SIU) в Карбондейле изучают, может ли одна проблема помочь решить другую. Их цель — использовать микроорганизмы для превращения отходов в пищу, безопасную для человека.

Исследование выросло из проекта под руководством NASA, посвящённого производству еды в условиях ограниченных ресурсов при исследовании дальнего космоса, где астронавты не могут рассчитывать на регулярные поставки с Земли.

«Мы пытались разработать технологии апсайклинга пластика для получения более ценных продуктов. И подумали: почему бы не сосредоточиться на производстве еды? Ведь пластик — это углерод, и еда — это углерод», — объясняет доцент Лахиру Джаякоди.

Ключевая цель — полиэтилентерефталат (PET), широко используемый пластик, из которого делают бутылки для газировки и воды. PET содержит богатые углеродом молекулы, которые потенциально можно разобрать и перестроить в полезные соединения, включая компоненты, способные в итоге стать белками.

Часть таких превращений можно было бы провести с помощью химических реакций и лабораторных растворителей. Однако команда SIU Carbondale обратилась к микробам, которые естественным образом выполняют сложные биохимические процессы.

Джаякоди добавляет: «Микробы очень умны. Поэтому мы используем их свойства, чтобы решать проблемы, которые создали сами».

Дрожжи как крошечные пищевые фабрики

Использование микроорганизмов для производства полезных веществ уже давно применяется. Например, дрожжи можно генетически запрограммировать на выработку ценных молекул. Инсулин, который когда-то получали из поджелудочной железы животных, теперь производят с помощью модифицированных микробов.

Джаякоди и аспирантка Сандхья Джаясекара применили похожую идею к отходам. Они запрограммировали несколько видов дрожжей, включая пекарские, чтобы те брали молекулы, полученные из пластика и сельскохозяйственных остатков, и превращали их в белки, витамины и ароматические соединения.

Однако прежде чем дрожжи смогут использовать эти материалы, отходы нужно разбить на более простые фрагменты.

Исследователи перерабатывают пластик PET, выброшенные кукурузные стебли и листья, а также другую биомассу с помощью запатентованной технологии окислительного гидротермального растворения. Разработанный профессором геологии SIU Carbondale Кеном Андерсоном процесс сочетает воду и кислород при высокой температуре и давлении, чтобы разложить устойчивые материалы на соединения, доступные микробам.

Затем эти меньшие молекулы скармливают модифицированным дрожжам. Микроорганизмы превращают их в новые пищевые компоненты, включая белки, жиры и кислоты.

От отходов к 3D-печатному печенью

После получения ингредиентов из дрожжей исследователи смешивают их с клетчаткой, крахмалом и подсластителем. Затем смесь пропускают через 3D-принтер, чтобы создать богатое белком печенье под названием µBites (произносится «микробайтс»).

Имеющиеся данные указывают на то, что µBites безопасны для употребления, хотя исследователи всё ещё ждут одобрения учреждения перед проведением официальных дегустаций.

Пока участники оценивали печенье по аромату. Большинство заявили, что были бы готовы есть µBites в ситуациях, когда пищевые ресурсы ограничены.

Исследователи также работают над тем, чтобы сделать печенье более привлекательным для людей, у которых есть другой выбор еды.

Джаясекара вывела штаммы дрожжей, способные производить дополнительные пищевые ингредиенты. Пекарские дрожжи теперь могут вырабатывать ванильный ароматизатор из растительной биомассы. Другой штамм дрожжей может использовать этиленгликоль, полученный из PET, для производства бета-каротина, который организм человека способен превращать в витамин A.

«Мы используем микробов, чтобы сделать печенье более привлекательным и удобным для потребителя продуктом», — говорит Джаясекара.

Больше ингредиентов для печенья из микробов

В конечном счёте команда хочет, чтобы микробы производили ещё больше ингредиентов, необходимых для µBites. Это касается крахмала, клетчатки и подсластителя, которые сейчас приходится добавлять отдельно.

Джаякоди надеется, что печенье будет готово к публичному употреблению в течение следующих нескольких лет. Помимо повседневного использования на Земле, технология может быть особенно ценной в условиях, где перевозить или доставлять большие объёмы еды сложно.

Возможные сферы применения включают подводные лодки, зоны бедствий и в перспективе человеческие поселения на Луне или Марсе.

Исследователи также рассматривают эту технологию как один из возможных ответов на растущее давление на мировые поставки продовольствия.

«Ожидается, что глобальный спрос на еду вырастет на 35–56% к 2050 году, и около 30% населения мира в будущем окажется под угрозой голода. Решить это, я считаю, можно с помощью микробов», — заключает он.

Исследование финансировалось в рамках программы NASA Deep Space Food Challenge и гранта National Science Foundation Faculty Early Career Development Program (CAREER).

Источники:

Материалы предоставлены American Chemical Society.