Entwickeln Sie Enzyme, um das Plastikproblem unseres Planeten zu lösen

Um den Nutzen ihrer Plattform zu veranschaulichen, haben sie ein Enzym entwickelt, das Poly(ethylen)terephthalat (PET), den üblicherweise in Plastikflaschen verwendeten Kunststoff, erfolgreich abbauen kann.

In den letzten Jahren hat sich das enzymatische Recycling von Kunststoffen als attraktive und umweltfreundliche Strategie zur Linderung der mit Kunststoffabfällen verbundenen Probleme herausgestellt. Obwohl es bereits eine Reihe von Methoden zum Recycling von Kunststoffen gibt, könnten Enzyme möglicherweise eine kostengünstigere und energieeffizientere Alternative darstellen. Darüber hinaus könnten sie dazu genutzt werden, gezielt bestimmte Bestandteile gemischter Kunststoffabfallströme aufzuspalten, die sich derzeit mit bestehenden Technologien nur schwer recyceln lassen.

Obwohl die Technologie vielversprechend ist, müssen erhebliche Hürden überwunden werden, damit das enzymatische Kunststoffrecycling in großem Umfang im kommerziellen Maßstab eingesetzt werden kann. Eine Herausforderung besteht beispielsweise darin, dass natürliche Enzyme mit der Fähigkeit, Kunststoffe abzubauen, in der Regel weniger wirksam und unter den Bedingungen, die für einen Prozess im industriellen Maßstab erforderlich sind, instabil sind.

Um diese Einschränkungen zu beheben, wurde heute in einem Papier veröffentlicht Naturkatalyse, Forscher der Universität Manchester haben über eine neue Enzym-Engineering-Plattform berichtet, die die Eigenschaften kunststoffabbauender Enzyme schnell verbessern kann, um sie für das Kunststoffrecycling in großem Maßstab besser geeignet zu machen. Ihre integrierte und automatisierte Plattform kann die Fähigkeit zum Kunststoffabbau von rund 1000 Enzymvarianten pro Tag erfolgreich bewerten.

Dr. Elizabeth Bell, die die experimentelle Arbeit am MIB leitete, sagt über die Plattform; „Die Ansammlung von Plastik in der Umwelt ist eine große globale Herausforderung. Aus diesem Grund wollten wir unsere Fähigkeiten zur Enzymevolution nutzen, um die Eigenschaften von Enzymen, die Plastik abbauen, zu verbessern und so zur Linderung einiger dieser Probleme beizutragen „Unsere skalierbare Plattform wird es uns in Zukunft ermöglichen, schnell neue und spezifische Enzyme zu entwickeln, die für den Einsatz in groß angelegten Kunststoffrecyclingprozessen geeignet sind.“

Um ihre Plattform zu testen, entwickelten sie durch die gezielte Evolution von IsPETase ein neues Enzym, HotPETase. IsPETase ist ein kürzlich entdecktes Enzym, das vom Bakterium Ideonella sakaiensis produziert wird und PET als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen kann.

Während IsPETase die natürliche Fähigkeit besitzt, einige halbkristalline Formen von PET abzubauen, ist das Enzym bei Temperaturen über 40 °C instabil, was weit unter den gewünschten Prozessbedingungen liegt. Diese geringe Stabilität bedeutet, dass Reaktionen bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur von PET (~65 °C) durchgeführt werden müssen, was zu niedrigen Depolymerisationsraten führt.

Um dieser Einschränkung zu begegnen, entwickelte das Team ein thermostabiles Enzym, HotPETase, das bei 70 °C aktiv ist, was über der Glasübergangstemperatur von PET liegt. Dieses Enzym kann teilkristallines PET schneller depolymerisieren als zuvor beschriebene Enzyme und kann die PET-Komponente eines laminierten Verpackungsmaterials selektiv abbauen, was die Selektivität unterstreicht, die durch enzymatisches Recycling erreicht werden kann.

Professor Anthony Green, Dozent für organische Chemie, sagte: „Die Entwicklung von HotPETase verdeutlicht die Leistungsfähigkeit unserer Enzym-Engineering-Plattform. Wir freuen uns nun darauf, mit Verfahrensingenieuren und Polymerwissenschaftlern zusammenzuarbeiten, um unser Enzym in realen Anwendungen zu testen. Weiter geht es.“ „Wir hoffen, dass sich unsere Plattform bei der Entwicklung effizienterer, stabilerer und selektiverer Enzyme für das Recycling einer breiten Palette von Kunststoffmaterialien als nützlich erweisen wird.“

Die Entwicklung robuster kunststoffabbauender Enzyme wie HotPETase sowie die Verfügbarkeit einer vielseitigen Enzym-Engineering-Plattform leisten einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung einer biotechnologischen Lösung für das Problem des Plastikmülls. Um diese vielversprechende Technologie voranzutreiben, ist nun eine gemeinsame und multidisziplinäre Anstrengung erforderlich, an der Biotechnologen, Verfahrensingenieure und Polymerwissenschaftler aus der gesamten akademischen und industriellen Gemeinschaft beteiligt sind. Da die Welt mit einem immer größer werdenden Abfallproblem konfrontiert ist, könnte die Biotechnologie eine ökologisch nachhaltige Lösung bieten.