Wir haben möglicherweise eine neue Waffe in unserem Kampf gegen die steigende Flut der Plastikverschmutzung – und sie wurde zufällig entdeckt.
Durch die Untersuchung der Struktur eines bestehenden Enzyms, das sich zuvor als nützlich für die Verdauung von Plastik erwiesen hatte, haben Forscher der University of Portsmouth und des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums eine mutierte Version geschaffen, die noch effektiver arbeitet.
Die mutierte Version verdaut einige der am häufigsten umweltschädlichen Kunststoffe, darunter solche aus Polyethylenterephthalat oder PET, schneller als das ursprüngliche Enzym. Aber noch wichtiger ist, dass es auch Polyethylenfurandicarboxylat (PEF) abbauen kann – ein biobasierter Ersatz für PET-Kunststoffe, der als Ersatz für Glasflaschen gefeiert wird.
PET hält derzeit Hunderte von Jahren in der Umwelt, und diese zufällige Entdeckung könnte eine praktikable Recyclinglösung für Millionen Tonnen von Flaschen und Verpackungen bieten. Die Forscher arbeiten nun daran, das Enzym so zu verbessern, dass es industriell zum Abbau von Kunststoffen eingesetzt werden kann.
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„Wenige hätten vorhersehen können, dass, seit Kunststoffe in den 1960er Jahren populär wurden, riesige Plastikmüllflecken in den Ozeanen schwimmen oder an einst unberührte Strände auf der ganzen Welt gespült werden würden“, sagte Professor John McGeehan von der University of Portsmouth. „Wir alle können eine bedeutende Rolle bei der Lösung des Plastikproblems spielen, aber die wissenschaftliche Gemeinschaft, die letztendlich diese ‚Wundermaterialien‘ geschaffen hat, muss jetzt alle ihr zur Verfügung stehende Technologie nutzen, um echte Lösungen zu entwickeln.“
PET, das in den 1940er Jahren als Kunststoff patentiert wurde, existiert noch nicht lange in der Natur, daher machte sich das Team daran, herauszufinden, wie sich ein Enzym namens PETase entwickelt hat und ob es möglich sein könnte, es durch Bestimmung seiner Struktur zu verbessern. Es wird angenommen, dass sich dieses natürliche Enzym in einem Abfallrecyclingzentrum in Japan entwickelt hat, damit ein Bakterium Plastik als Nahrungsquelle abbauen kann.
In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Diamond Light Source im Vereinigten Königreich verwendeten Professor McGeehan und Dr. Gregg Beckham vom NREL ein Synchrotron, das intensive Röntgenstrahlen verwendet, die 10 Milliarden Mal heller als die Sonne sind, als Mikroskop, das stark genug ist, um einzelne Atome zu sehen . Mithilfe dieser Technologie erstellte das Team ein ultrahochauflösendes 3D-Modell des PETase-Enzyms mit „exquisiten Details“.
Dieses Bild zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme des Enzyms, das mit Kunststoff interagiert
Dann entdeckte das Team mit Hilfe von Computermodellen und Wissenschaftlern der University of South Florida und der University of Campinas in Brasilien, dass sich PETase möglicherweise in einer PET-lastigen Umgebung entwickelt hat, damit das Enzym PET abbauen kann. Um diese Theorie zu testen, mutierten die Forscher die PETase und dann geschah das Unerwartete.
Als die Forscher die 3D-Informationen dieser Struktur verwendeten, um zu verstehen, wie sie funktioniert, konstruierten sie versehentlich ein Enzym, das den Kunststoff noch besser abbauen kann als das, das sich in der Natur entwickelt hat.
„Glückliche Zufälle spielen oft eine bedeutende Rolle in der wissenschaftlichen Grundlagenforschung und unsere Entdeckung hier ist keine Ausnahme“, sagte Professor McGeehan. „Obwohl die Verbesserung bescheiden ist, deutet diese unerwartete Entdeckung darauf hin, dass es Raum für eine weitere Verbesserung dieser Enzyme gibt, was uns einer Recyclinglösung für den ständig wachsenden Berg von weggeworfenen Kunststoffen näher bringt.“
Das Forschungsteam kann nun die Werkzeuge des Protein-Engineering und der Evolution anwenden, um es weiter zu verbessern.
Professor McGeehan fügte hinzu:„Der technische Prozess ist weitgehend der gleiche wie bei Enzymen, die derzeit in Bio-Waschmitteln und bei der Herstellung von Biokraftstoffen verwendet werden – die Technologie existiert und es ist durchaus möglich, dass wir in den kommenden Jahren eine industriell machbare sehen werden Prozess, um PET und möglicherweise andere Substrate wie PEF, PLA und PBS wieder in ihre ursprünglichen Bausteine umzuwandeln, damit sie nachhaltig recycelt werden können.“
Die Forschung wurde in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht
Bilder:Shutterstock/NREL