Учёные при поддержке НАСА превратили пластиковые отходы в съедобное печенье

Пластиковая бутылка и печенье — что между ними общего? На первый взгляд ничего. Но исследователи нашли способ связать эти две вещи. Они запрограммировали дрожжи так, чтобы те превращали соединения из пластика и сельскохозяйственных отходов в съедобные белки, витамины, ароматизаторы и другие пищевые ингредиенты.

Подход может дать новый способ переработки трудноразлагаемых отходов и одновременно помочь производить еду там, где обычные поставки ограничены. Потенциальные применения простираются от зон бедствий на Земле до пилотируемых миссий в дальний космос.

Результаты были представлены на осенней конференции Американского химического общества.

Пластик как источник еды

Загрязнение пластиком и нехватка продовольствия — две крупные глобальные проблемы. Исследователи из Южного Иллинойсского университета в Карбондейле задались вопросом: может ли одна проблема помочь решить другую? Их цель — использовать микроорганизмы для превращения отходов в пищу, безопасную для человека.

Работа выросла из проекта, инициированного НАСА, который был сосредоточен на производстве еды в условиях ограниченных ресурсов дальнего космоса, где астронавты не могут рассчитывать на регулярные поставки с Земли.

«Мы пытались разработать технологии для переработки пластика, чтобы создавать более ценные продукты. Мы подумали: почему бы не сосредоточиться на производстве еды? Ведь пластик — это углерод, и еда — это углерод», — объясняет доцент Лахиру Джаякоди.

Одна из главных целей — полиэтилентерефталат, широко используемый пластик, из которого делают бутылки для газировки и воды. Он содержит богатые углеродом молекулы, которые можно разобрать и перестроить в полезные соединения, включая те, что в конечном итоге становятся белками.

Часть таких преобразований можно провести с помощью химических реакций и лабораторных растворителей. Но команда из Южного Иллинойса обратилась к микробам, которые естественным образом осуществляют сложные биохимические процессы.

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

Дрожжи как крошечные пищевые фабрики

Использование микроорганизмов для производства полезных веществ давно стало обычной практикой. Дрожжи, например, можно генетически запрограммировать на выработку ценных молекул. Инсулин, который когда-то получали из поджелудочных желёз животных, теперь производят с помощью модифицированных микробов.

Джаякоди и аспирантка Сандхья Джаясекара применили ту же 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.

Но прежде чем дрожжи смогут использовать эти материалы, отходы нужно разбить на более мелкие части. Исследователи обрабатывают пластик, отбракованные стебли и листья кукурузы и другую биомассу с помощью собственной технологии, известной как окислительное гидротермальное растворение. Разработанный профессором геологии Южного Иллинойса Кеном Андерсоном, этот процесс combines воду и кислород при высокой температуре и давлении, чтобы разбить устойчивые материалы на соединения, доступные микробам.

Эти меньшие молекулы затем скармливают запрограммированным дрожжам. Микроорганизмы превращают их в новые пищевые компоненты, включая белки, жиры и кислоты.

От отходов к печенью, напечатанному на 3D-принтере

Когда ингредиенты, полученные из дрожжей, готовы, исследователи соединяют их с клетчаткой, крахмалом и подсластителем. Смесь пропускают через 3D-принтер, чтобы создать богатое белком печенье под названием «микробайты».

Имеющиеся данные указывают на то, что «микробайты» безопасны для еды, хотя исследователи всё ещё ждут институционального одобрения, прежде чем проводить формальные дегустационные тесты. Пока участники оценивали печенье по аромату. Большинство сказали, что были бы готовы есть «микробайты» в ситуациях, где пищевые ресурсы ограничены. Исследователи также работают над тем, чтобы сделать печенье более привлекательным для людей, у которых есть другой выбор еды.

Джаясекара создала 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 пластика, для производства бета-каротина, который человеческий организм превращает в витамин А.

«Мы используем микробов, чтобы превратить печенье в более привлекательный, потребительский продукт», — говорит Джаясекара.

Больше ингредиентов из микробов

Команда в конечном итоге хочет, чтобы микробы производили ещё больше ингредиентов, необходимых для «микробайтов». В том числе крахмал, клетчатку и подсластитель, которые сейчас приходится добавлять отдельно.

Джаякоди надеется, что печенье будет готово к публичному потреблению в течение следующих нескольких лет. Помимо повседневного использования на Земле, технология может быть особенно ценной в условиях, где перевозка или доставка больших объёмов еды затруднена. Возможные сценарии включают подводные лодки, зоны бедствий и, в конечном итоге, человеческие поселения на Луне или Марсе.

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

«Ожидается, что глобальный спрос на еду вырастет на 35–56 процентов к 2050 году, и около 30 процентов населения мира будет подвержено риску голода в будущем. Способ решить это, я считаю, — использовать микробов», — заключает он.

Исследование финансировалось программой НАСА по производству еды для дальнего космоса и грантом Национального научного фонда для развития карьеры молодых преподавателей.