29.04.2022 - University of Texas at Austin

Plastik fressendes Enzym könnte Milliarden von Tonnen Deponieabfall vermeiden

"Diese Arbeit zeigt, wie wichtig es ist, verschiedene Disziplinen zusammenzubringen, von der synthetischen Biologie über die chemische Technik bis zur künstlichen Intelligenz"

Eine Enzymvariante, die von Ingenieuren und Wissenschaftlern der University of Texas in Austin entwickelt wurde, kann umweltschädliche Kunststoffe, deren Abbau normalerweise Jahrhunderte dauert, in nur wenigen Stunden bis Tagen abbauen.

Diese in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Entdeckung könnte dazu beitragen, eines der dringendsten Umweltprobleme der Welt zu lösen: die Frage, was mit den Milliarden Tonnen an Plastikmüll geschehen soll, die sich auf den Mülldeponien stapeln und unsere natürlichen Böden und Gewässer verschmutzen. Das Enzym hat das Potenzial, das Recycling in großem Maßstab zu beschleunigen, so dass große Industrien ihre Umweltauswirkungen durch die Rückgewinnung und Wiederverwendung von Kunststoffen auf molekularer Ebene verringern könnten.

"Die Möglichkeiten, dieses hochmoderne Recyclingverfahren in allen Branchen zu nutzen, sind endlos", sagt Hal Alper, Professor am McKetta Department of Chemical Engineering der UT Austin. "Neben der offensichtlichen Abfallwirtschaft bietet dies auch Unternehmen aus allen anderen Sektoren die Möglichkeit, eine führende Rolle beim Recycling ihrer Produkte zu übernehmen. Durch diese nachhaltigeren Enzymansätze können wir beginnen, uns eine echte Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe vorzustellen."

Das Projekt konzentriert sich auf Polyethylenterephthalat (PET), ein wichtiges Polymer, das in den meisten Verbraucherverpackungen zu finden ist, darunter Keksdosen, Limonadenflaschen, Obst- und Salatverpackungen sowie bestimmte Fasern und Textilien. Es macht 12 % des gesamten weltweiten Abfalls aus.

Das Enzym war in der Lage, den Kunststoff in einem "zirkulären Prozess" in kleinere Teile zu zerlegen (Depolymerisation) und dann chemisch wieder zusammenzusetzen (Repolymerisation). In einigen Fällen können diese Kunststoffe in weniger als 24 Stunden vollständig in Monomere zerlegt werden.

Forscher der Cockrell School of Engineering und des College of Natural Sciences verwendeten ein Modell des maschinellen Lernens, um neue Mutationen eines natürlichen Enzyms namens PETase zu erzeugen, das es Bakterien ermöglicht, PET-Kunststoffe abzubauen. Das Modell sagt voraus, welche Mutationen in diesen Enzymen das Ziel einer schnellen Depolymerisierung von Kunststoffabfällen bei niedrigen Temperaturen erreichen würden.

Durch diesen Prozess, bei dem 51 verschiedene Kunststoffbehälter, fünf verschiedene Polyesterfasern und -stoffe sowie Wasserflaschen aus PET untersucht wurden, konnten die Forscher die Wirksamkeit des Enzyms nachweisen, das sie FAST-PETase (funktionelle, aktive, stabile und tolerante PETase) nennen.

"Diese Arbeit zeigt, wie gut es ist, verschiedene Disziplinen zusammenzubringen, von der synthetischen Biologie über die chemische Technik bis hin zur künstlichen Intelligenz", sagte Andrew Ellington, Professor am Center for Systems and Synthetic Biology, dessen Team die Entwicklung des maschinellen Lernmodells leitete.

Recycling ist der naheliegendste Weg, den Plastikmüll zu reduzieren. Doch weltweit werden weniger als 10 % des gesamten Kunststoffs recycelt. Die gebräuchlichste Methode zur Entsorgung von Kunststoffen ist neben der Deponierung die Verbrennung, die kostspielig und energieintensiv ist und schädliche Gase in die Luft abgibt. Zu den alternativen industriellen Verfahren gehören die sehr energieaufwändigen Prozesse der Glykolyse, Pyrolyse und/oder Methanolyse.

Biologische Lösungen benötigen viel weniger Energie. Die Forschung zu Enzymen für das Kunststoffrecycling hat in den letzten 15 Jahren Fortschritte gemacht. Bislang konnte jedoch niemand herausfinden, wie man Enzyme herstellt, die bei niedrigen Temperaturen effizient arbeiten können, so dass sie sowohl tragbar als auch in großem industriellen Maßstab erschwinglich sind. FAST-PETase kann den Prozess bei weniger als 50 Grad Celsius durchführen.

Als Nächstes plant das Team, die Enzymproduktion zu steigern, um eine industrielle und umweltfreundliche Anwendung vorzubereiten. Die Forscher haben die Technologie zum Patent angemeldet und streben verschiedene Anwendungen an. Am naheliegendsten sind die Sanierung von Mülldeponien und die Ökologisierung von Industrien, die viel Abfall produzieren. Ein weiterer wichtiger potenzieller Einsatzbereich ist jedoch die Umweltsanierung. Das Team prüft eine Reihe von Möglichkeiten, die Enzyme in der Praxis einzusetzen, um verschmutzte Standorte zu sanieren.

"Wenn man an Anwendungen zur Umweltsanierung denkt, braucht man ein Enzym, das in der Umwelt bei Umgebungstemperatur arbeiten kann. In dieser Hinsicht hat unsere Technologie einen großen Vorteil für die Zukunft", so Alper.

Alper, Ellington, der außerordentliche Professor für Chemieingenieurwesen Nathaniel Lynd und Hongyuan Lu, ein Postdoktorand in Alpers Labor, leiteten die Forschung. Danny Diaz, ein Mitglied von Ellingtons Labor, erstellte das maschinelle Lernmodell. Weitere Teammitglieder kommen aus dem Chemieingenieurwesen: Natalie Czarnecki, Congzhi Zhu und Wantae Kim; und aus den molekularen Biowissenschaften: Daniel Acosta, Brad Alexander, Yan Jessie Zhang und Raghav Shroff. Die Arbeit wurde von der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von ExxonMobil im Rahmen einer laufenden Forschungsvereinbarung mit der UT Austin finanziert.

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