Was tun mit den Milliarden Tonnen an Plastikmüll, die sich auf den Mülldeponien stapeln und unsere natürlichen Böden und Gewässer verschmutzen? Wissenschaftler und Ingenieure haben an der University of Texas in Austin ein Enzym entwickelt, das umweltschädliche Kunststoffe in nur wenigen Stunden bis Tagen abbauen kann. Diese Entdeckung, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, könnte dazu beitragen, eines der dringendsten Umweltprobleme der Welt zu lösen. Das Enzym hat das Potenzial, das Recycling in großem Maßstab zu beschleunigen und die Umweltauswirkungen durch die Rückgewinnung und Wiederverwendung von Kunststoffen auf molekularer Ebene zu verringern.
PET-Abbau steht im Fokus
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.
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Das Enzym ist 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 nur 24 h vollständig in ihre Monomere zerlegt werden.
Erfolgreiche Modellierung der Enzymmutationen
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 Post-Consumer-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.
Energieeffizientes Recyclingverfahren
Recycling ist der naheliegendste Weg, den Plastikmüll zu reduzieren. Doch weltweit werden weniger als 10 % des gesamten Kunststoffs recycelt. Die gängigste Methode zur Beseitigung von Kunststoffen ist neben der Deponierung die Verbrennung, die teuer 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 °C durchführen.
Auf dem Weg zur Industriereife
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.
Erfolgreiche Zusammenrbeit
Alper, Ellington, der außerordentliche Professor für Chemieingenieurwesen Nathaniel Lynd und Hongyuan Lu, ein Postdoktorand in Alpers Labor, leiteten die Forschung. Raghav Shroff, ein ehemaliges Mitglied von Ellingtons Labor und jetzt Forscher am Houston Methodist Research Institute, entwickelte das 3DCNN-Modell für maschinelles Lernen, das zur Entwicklung des plastikfressenden Enzyms verwendet wurde. Danny Diaz, ein derzeitiges Mitglied von Ellingtons Labor, adaptierte das Modell und schuf eine Webplattform, MutCompute, um es für eine breitere akademische Nutzung verfügbar zu machen. Weitere Teammitglieder kommen aus dem Chemieingenieurwesen: Natalie Czarnecki, Congzhi Zhu und Wantae Kim; und aus den molekularen Biowissenschaften: Daniel Acosta, Brad Alexander, Hannah O. Cole und Yan Jessie Zhang. Die Arbeit wurde von der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von ExxonMobil im Rahmen eines laufenden Forschungsabkommens mit der UT Austin finanziert.
