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Ein plastikfressendes Enzym: Hoffnung auf Recycling und Bekämpfung der Umweltverschmutzung

UMGEBUNGEin plastikfressendes Enzym: Hoffnung auf Recycling und Bekämpfung der Umweltverschmutzung

Forscher haben ein Enzym identifiziert und entwickelt, das einige unserer am häufigsten umweltschädlichen Kunststoffe verdauen und verbrauchen kann und eine Hoffnung auf Recycling und Bekämpfung der Umweltverschmutzung bietet

Umweltverschmutzung Kunststoffe ist die größte Umweltherausforderung weltweit in Form von Plastik Umweltverschmutzung und optimale Lösung für dieses Problem bleibt immer noch schwer fassbar. Die meisten Kunststoffe werden aus Erdöl oder Erdgas hergestellt, das sind nicht erneuerbare Ressourcen, die mit energieintensiven Techniken gewonnen und verarbeitet werden. Daher ist ihre Herstellung und Produktion selbst für empfindliche Ökosysteme sehr zerstörerisch. Die Zerstörung von Plastik (meist durch Verbrennung) verursacht Luft-, Wasser- und Bodenverschmutzung. Etwa 79 Prozent des in den letzten 70 Jahren produzierten Kunststoffs wurden entweder auf Deponien oder in die allgemeine Umwelt entsorgt, während nur etwa neun Prozent recycelt und der Rest verbrannt wird. Dieser Verbrennungsprozess setzt gefährdete Arbeiter giftigen Chemikalien aus, die krebserregende Substanzen enthalten. Die Ozeane sollen etwa 51 Billionen Mikroplastikpartikel enthalten und die Meereslebewesen langsam erschöpfen. Einige der Plastik-Mikropartikel werden in die Luft geblasen, was zu Umweltverschmutzung führt, und es ist eine reale Möglichkeit, dass wir sie einatmen. Niemand hätte in den 1960er Jahren vorhersagen können, dass das Aufkommen und die Popularität von Kunststoffen eines Tages zu einer Belastung werden würden, da riesige Plastikabfälle in unseren schönen Ozeanen, in der Luft schwimmen und auf unserem kostbaren Land landen.

Kunststoffverpackungen sind die größte Bedrohung und die korrupteste Verwendung von Kunststoffen. Aber das Problem ist, dass Plastiktüten überall sind, für jeden kleinen Zweck verwendet werden und keine Kontrolle über ihre Verwendung besteht. Diese Art von synthetischem Kunststoff ist nicht biologisch abbaubar, sondern sitzt und sammelt sich auf Deponien an und trägt zur Umweltverschmutzung bei. Es gab Initiativen zum „vollständigen Plastikverbot“, insbesondere für Polystyrol, das in Verpackungen verwendet wird. Dies führt jedoch nicht zu den gewünschten Ergebnissen, da Plastik immer noch in Land, Luft und Wasser allgegenwärtig ist und ständig wächst. Man kann mit Sicherheit sagen, dass Plastik vielleicht nicht einmal mit bloßem Auge die ganze Zeit sichtbar ist, aber es ist überall! Es ist bedauerlich, dass wir das Recycling- und Entsorgungsproblem des Kunststoffmaterials nicht angehen können.

In einer Studie veröffentlicht Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften USA, Forscher haben ein bekanntes natürliches entdeckt Enzym die sich von Plastik ernährt. Dies war eine zufällige Entdeckung, als sie in einem Zentrum in Japan die Struktur eines Enzyms untersuchten, das in Abfall zum Recycling gefunden wurde. Dieses Enzym namens Ideonella sakaiensis 201-F6 ist in der Lage, patentiertes PET oder Polyethylenterephthalat, das am häufigsten in Millionen Tonnen Plastikflaschen verwendet wird, zu „essen“ oder „zu ernähren“. Das Enzym ermöglichte es Bakterien im Grunde, den Kunststoff als Nahrungsquelle abzubauen. Für PET gibt es derzeit keine Recyclinglösungen und Plastikflaschen aus PET bleiben über Hunderte von Jahren in der Umwelt bestehen. Diese Studie, die von Teams der University of Portsmouth und des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums geleitet wurde, hat große Hoffnungen geweckt.

Ursprüngliches Ziel war es, die dreidimensionale Kristallstruktur dieses natürlichen Enzyms (Petase genannt) zu bestimmen und anhand dieser Informationen zu verstehen, wie dieses Enzym genau funktioniert. Sie nutzten einen intensiven Röntgenstrahl – der 10 Milliarden Mal heller ist als die Sonne –, um die Struktur aufzuklären und einzelne Atome zu sehen. Solche leistungsstarken Strahlen ermöglichten es, die innere Funktionsweise des Enzyms zu verstehen und lieferten korrekte Blaupausen, um schnellere und effizientere Enzyme entwickeln zu können. Es wurde gezeigt, dass PETase einem anderen Enzym namens Cutinase sehr ähnlich sieht, außer dass PETase eine besondere Eigenschaft und ein „offeneres“ aktives Zentrum hat, das vermutlich von Menschen hergestellte Polymere (anstelle der natürlichen) beherbergt. Diese Unterschiede deuteten sofort darauf hin, dass PETase insbesondere in einer PET-haltigen Umgebung stärker entwickelt werden und somit PET abbauen könnte. Sie mutierten das aktive Zentrum der PETase, damit es eher wie Cutinase aussieht. Was folgte, war ein völlig unerwartetes Ergebnis, die PETase-Mutante konnte PET sogar besser abbauen als die natürliche PETase. Bei dem Prozess des Verständnisses und des Versuchs, die Fähigkeit des natürlichen Enzyms zu verbessern, gelang es den Forschern daher, versehentlich ein neues Enzym zu entwickeln, das beim Abbau von PET noch besser war als das natürliche Enzym Kunststoffe. Dieses Enzym könnte auch Polyethylenfurandicarboxylat oder PEF abbauen, einen biobasierten Ersatz für PET-Kunststoffe. Dies weckte die Hoffnung, andere Substrate wie PEF (Polyethylenfuranoat) oder sogar PBS (Polybutylensuccinat) anzugehen. Die Werkzeuge für Enzym-Engineering und -Evolution können kontinuierlich zur weiteren Verbesserung eingesetzt werden. Forscher suchen nach einer Möglichkeit, das Enzym so zu verbessern, dass seine Funktion in eine leistungsstarke großindustrielle Anlage integriert werden könnte. Der Engineering-Prozess ähnelt stark Enzymen, die derzeit in Biowaschmitteln oder bei der Herstellung von Biokraftstoffen eingesetzt werden. Die Technologie ist vorhanden und damit sollte in den kommenden Jahren eine industrielle Rentabilität erreicht werden.

Weitere Forschung ist erforderlich, um einige Aspekte dieser Studie zu verstehen. Erstens zerlegt das Enzym größere Plastikstücke in kleinere Stücke, daher unterstützt es das Recycling von Plastikflaschen, aber all dieses Plastik muss zuerst zurückgewonnen werden. Dieser „kleinere“ Kunststoff könnte, wenn er zurückgewonnen wird, verwendet werden, um ihn wieder in Plastikflaschen umzuwandeln. Das Enzym kann in der Umwelt nicht wirklich „von alleine nach Plastik suchen“. Eine vorgeschlagene Option könnte darin bestehen, dieses Enzym in einige Bakterien einzupflanzen, die Plastik schneller abbauen können, während sie hohen Temperaturen standhalten. Auch die Langzeitwirkung dieses Enzyms muss noch verstanden werden.

Die Auswirkungen einer solch innovativen Lösung zur Bekämpfung des Plastikmülls wären weltweit sehr hoch. Wir haben versucht, das Plastikproblem seit dem Aufkommen von Plastik selbst anzugehen. Es gab Gesetze, die die Verwendung von Einwegkunststoff verbieten, und auch recycelter Kunststoff wird jetzt überall bevorzugt. Selbst kleine Schritte wie das Verbot von Plastiktüten in Supermärkten waren in den Medien allgegenwärtig. Der Punkt ist, dass wir schnell handeln müssen, wenn wir unseren Planeten vor Plastikverschmutzung schützen wollen. Wir müssen jedoch weiterhin Recycling in unseren Alltag integrieren und gleichzeitig unsere Kinder dazu ermutigen, dies zu tun. Wir brauchen noch eine gute langfristige Lösung, die mit unseren eigenen individuellen Anstrengungen einhergehen kann. Diese Forschung ist ein Anfang, um eines der größten Probleme unseres Planeten anzugehen.

***

{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

HarryP et al. 2018. Charakterisierung und Entwicklung einer kunststoffabbauenden aromatischen Polyesterase. Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften. https://doi.org/10.1073/pnas.1718804115

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