Zur Veranschaulichung des Nutzens ihrer Plattform haben sie ein Enzym entwickelt, das Poly(ethylen)terephthalat (PET), den in Plastikflaschen häufig verwendeten Kunststoff, erfolgreich abbauen kann.
In den letzten Jahren hat sich das enzymatische Recycling von Kunststoffen zu einer attraktiven und umweltfreundlichen Strategie entwickelt, um die mit Kunststoffabfällen verbundenen Probleme zu verringern. Zwar gibt es bereits eine Reihe von Methoden für das Recycling von Kunststoffen, doch Enzyme könnten eine kostengünstigere und energieeffizientere Alternative darstellen. Darüber hinaus könnten sie zum selektiven Abbau bestimmter Komponenten gemischter Kunststoffabfallströme eingesetzt werden, die mit den bestehenden Technologien nur schwer zu recyceln sind.
Obwohl die Technologie vielversprechend ist, gibt es erhebliche Hürden, die überwunden werden müssen, damit enzymatisches Kunststoffrecycling auf breiter Basis im kommerziellen Massstab eingesetzt werden kann. Eine Herausforderung besteht beispielsweise darin, dass natürliche Enzyme, die Kunststoffe abbauen können, in der Regel weniger effektiv sind und unter den für einen grosstechnischen Prozess erforderlichen Bedingungen instabil sind.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben Forscher der University of Manchester in der Zeitschrift Nature Catalysis eine neue Enzym-Engineering-Plattform vorgestellt, mit der die Eigenschaften kunststoffabbauender Enzyme schnell verbessert werden können, 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 experimentellen Arbeiten am MIB leitete, sagt über die Plattform: "Die Anhäufung von Plastik in der Umwelt ist eine große globale Herausforderung. Aus diesem Grund wollten wir unsere Möglichkeiten der Enzymevolution nutzen, um die Eigenschaften der kunststoffabbauenden Enzyme zu verbessern und so zur Linderung einiger dieser Probleme beizutragen. Wir hoffen, dass unsere skalierbare Plattform es uns in Zukunft ermöglichen wird, schnell neue und spezifische Enzyme zu entwickeln, die für den Einsatz in gross angelegten Kunststoffrecyclingprozessen geeignet sind."
Um ihre Plattform zu testen, entwickelten sie ein neues Enzym, HotPETase, durch die gezielte Evolution von IsPETase. IsPETase ist ein kürzlich entdecktes Enzym, das von dem Bakterium Ideonella sakaiensis produziert wird und PET als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen kann.
IsPETase besitzt zwar die natürliche Fähigkeit, einige teilkristalline Formen von PET abzubauen, doch ist das Enzym bei Temperaturen über 40 °C, also weit unter den gewünschten Prozessbedingungen, instabil. Diese geringe Stabilität bedeutet, dass die 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, also oberhalb der Glasübergangstemperatur von PET. Dieses Enzym kann teilkristallines PET schneller depolymerisieren als bisher bekannte Enzyme und kann die PET-Komponente eines laminierten Verpackungsmaterials selektiv abbauen, was die Selektivität verdeutlicht, die durch enzymatisches Recycling erreicht werden kann.
Professor Anthony Green, Dozent für organische Chemie, sagte: "Die Entwicklung von HotPETase veranschaulicht sehr schön die Möglichkeiten unserer Enzym-Engineering-Plattform. Wir freuen uns nun auf die Zusammenarbeit mit Verfahrenstechnikern und Polymerwissenschaftlern, um unser Enzym in realen Anwendungen zu testen. Wir sind zuversichtlich, dass sich unsere Plattform in Zukunft als nützlich erweisen wird, um effizientere, stabilere und selektivere Enzyme für das Recycling einer breiten Palette von Kunststoffen zu entwickeln."
Die Entwicklung robuster kunststoffabbauender Enzyme wie HotPETase und die Verfügbarkeit einer vielseitigen Enzym-Engineering-Plattform leisten einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung einer biotechnologischen Lösung für das Problem der Kunststoffabfälle. Um diese vielversprechende Technologie voranzubringen, bedarf es nun einer gemeinschaftlichen und multidisziplinären Anstrengung, an der Biotechnologen, Verfahrensingenieure und Polymerwissenschaftler aus dem gesamten akademischen und industriellen Umfeld beteiligt sind. Da die Welt mit einem immer grösser werdenden Abfallproblem konfrontiert ist, könnte die Biotechnologie eine ökologisch nachhaltige Lösung bieten.
Literatur
- Bell, E.L., Smithson, R., Kilbride, S. et al. Directed evolution of an efficient and thermostable PET depolymerase. Nat Catal (2022)