Kleidung, Medizinprodukte, Küchengeräte, Verpackungen, Kosmetik, Spielzeug und vieles, vieles mehr wird heutzutage aus Kunststoff gefertigt. Denn das oftmals Erdöl-basierte Material hat einen unschlagbaren Vorteil: es ist stabil und lange haltbar. Genau dieser Pluspunkt ist gleichzeitig auch sein größter Nachteil. Werden die Gegenstände aus Plastik nicht mehr gebraucht, lassen sie sich nämlich nicht mal eben in Luft auflösen. Sie werden verbrannt, landen auf Deponien oder werden direkt in der Umwelt entsorgt. Dort können sie Lebewesen oder sogar ganze Ökosysteme schädigen.
„Man kann davon ausgehen, dass mittelfristig gerade kleinere Kunststoff-Partikel, sogenanntes Mikroplastik mit einer Größe von weniger als 1 mm, in allen Nahrungsketten auftauchen werden, was Einfluss auf die Gesundheit und Ernährung des Menschen nehmen wird. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass gerade Mikroplastik Einfluss auf die globale Biodiversität nehmen wird“, sagt Wolfgang Streit, Leiter der Arbeitsgruppe Mikrobiologie und Biotechnologie an der Universität Hamburg. Und fast schon als Beweis für die Erfüllung dieser Prophezeiung fanden niederländische Wissenschaftler kürzlich Plastikpartikel (Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE) und verschiedene Styrol-Polymere) in menschlichem Blut (Environ Int, DOI: 10.1016/j.envint.2022.107199).
Rein hypothetisch
Grund genug also für Streit und sein Team einen Beitrag zur Kunststoff-Beseitigung zu leisten. Seit mehreren Jahren arbeiten sie daran, neue Biokatalysatoren für die Biotechnologie bereitzustellen und haben dabei auch erfolgreich einige Plastik-abbauende Enzyme identifiziert.
Bei ihren Recherchen sind Streit und seine Kollegen auch auf eine Menge anderer Studien gestoßen, die beschreiben, wie sich Mikroorganismen auf Plastik anreichern und dort nur wachsen, weil sie die Additive im Polymer verstoffwechseln können. „Daraus resultierend gibt es recht viele Studien, die Enzyme für den Polymer-Abbau postulieren, aber keine experimentellen und analytischen Beweise für den eigentlichen Polymer-Abbau liefern“, berichtet Streit. „Es gibt mittlerweile auch einige Studien, die globale Modelle errechnet haben, wie sich Mikroorganismen an den Abbau von Plastik angepasst haben sollen. Allerdings nutzen diesen Studien zu einem sehr großen Teil hypothetische Proteine, bei denen gar nicht klar ist, ob sie überhaupt eine Rolle beim Abbau der Polymere spielen“, fügt er hinzu.
Anspruchsvolle Suche
Von ca. 2.500 Veröffentlichungen, die sich mit dem Thema Kunststoff-Abbau befassen, beschäftigten sich weniger als 60 tatsächlich mit der Isolierung und biochemischen Charakterisierung von Kunststoff-aktiven Enzymen. Das liegt laut Streit vermutlich daran, dass die Suche nach Polymer-abbauenden Enzymen ein hohes Maß an Expertise erfordert und methodisch sehr anspruchsvoll ist. Hinzu kommt, dass der eigentliche Nachweis des Polymer-Abbaus auch nicht gerade einfach ist und Polymer-abbauende Enzyme letztendlich sehr selten sind.
An dieser Stelle haben Streit und seine Gruppe etwas erkannt – und zwar, wie wichtig eine Datenbank wäre, in der vor allen Dingen experimentell verifizierte Enzyme hinterlegt sind und die einen raschen Zugriff auf biochemische Daten ermöglicht. Die Geburtsstunde von PAZy (Plastics-Active Enzymes Database), eine Open-Access-Datenbank für Plastik-abbauende Enzyme.
Um die Idee der Datenbank Realität werden zu lassen, haben sich die Hamburger Wissenschaftler mit der Arbeitsgruppe von Jürgen Pleiss an der Universität Stuttgart zusammengetan. Die Entwicklung der Datenbank hat nur einige Monate gedauert, ging also recht flott. „Es war jedoch sehr aufwendig, die Vielzahl an Publikationen zu sichten und dabei biochemische und strukturelle Daten zu extrahieren. Dies ist nach wie vor sehr zeitintensiv, da biochemische und kinetische Daten immer manuell extrahiert werden müssen“, so der Biotechnologe. PAZy ist auch mit anderen wichtigen Protein-, Struktur- und Genom-Datenbanken vernetzt und kann so rasch relevante Informationen, wie zum Beispiel Strukturdaten bereitstellen.
Keine Enzyme für PE-Abbau
Die Datenbank steht nun allen Interessierten zur Verfügung und soll vor allem Forschern und Forscherinnen einen raschen Einstieg in das Thema enzymatischer Kunststoff-Abbau ermöglichen. Aber auch Menschen aus der Industrie, Journalisten oder die breite Öffentlichkeit können sich hier informieren, für welche Plastiksorten es Abbau-Enzyme gibt und für welche eben nicht. „Schaut man sich die Literatur an, so wird häufig der Eindruck vermittelt, dass es beispielsweise für Polyethylen (PE) bereits Enzyme gibt. Dies ist aber nicht der Fall. Anhand der Datenbank wird sehr schnell deutlich, dass wir bisher auch keine Enzyme für den Abbau von Polystyrol (PS), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethan-Ether (PUR-ether) und Polyamid (PA) kennen“, berichtet Streit.
Insgesamt sind aktuell nur 36 Enzyme bekannt, die PET umsetzen können. Diese Enzyme stammen aus vier Bakterienstämmen. Der bekannteste PET-aktive Organismus ist Ideonella sakaiensis, ein Gram-negatives Proteobakterium. Es wurde 2016 von japanischen Forschern auf einer Plastikmüllhalde gefunden (Science, 351(6278):1196-9). Weitere PET-aktive Enzyme stammen ebenfalls aus Proteobakterien, zum Beispiel die PET-aktiven Esterasen aus Pseudomonas aestusnigri oder Vibrio gazogenes. Auch in Mikroorganismen der Bacteroidetes konnten PET-aktive Enzyme identifiziert werden. Und auch Pilze verfügen über einige Enzyme, die PET umsetzen können.
Klein, aber persönlich
Der enzymatische Abbau von PET ist im Pilot- und Labormaßstab schon recht gut untersucht. „Mit den besten Enzymen, die derzeit auf dem Markt sind, kann man vorbehandeltes PET innerhalb von 24 Stunden in seine Grundbestandteile zerlegen“, berichtet Streit. „Voraussetzung dazu ist jedoch, dass das PET mechanisch und thermisch vorbehandelt wird, um die Kristallinität herabzusetzen. Keines der bekannten Enzyme kann hochkristallines und hochpolymeres PET umsetzen.“ Dennoch hat das französische Biochemie-Unternehmen Carbios eine Pilotanlage zum enzymatischen Abbau von PET entwickelt und plant nun, diese Technologie im industriellen Maßstab einzusetzen, um PET in die Monomere Terephthalsäure (TPA) und Ethylenglycol (EG) umzuwandeln.
„Es wäre natürlich wünschenswert auch Enzyme für andere Polymere zu identifizieren. Dies ist jedoch nicht ganz einfach, da es sich bei den anderen Polymeren zumeist um Bindungen handelt, die sehr stabil sind und es heute nicht bekannt ist, welche Enzyme diese sehr stabilen C-C Bindungen spalten können“, erklärt der Hamburger Biotechnologe. Deshalb ist PAZy bisher noch relativ klein. Für viele Polymere gibt es eben noch keine bekannten Enzyme. Die Datenbank soll nun aber kontinuierlich ergänzt werden und die Wissenschaftler hoffen, dass sie in den nächsten Jahren signifikant anwächst. „Wir erhoffen uns von den Kollegen und Kolleginnen Hinweise auf neue experimentell bestätigte Enzyme“, sagt Streit. Diese werden die Wissenschaftler in Hamburg und Stuttgart dann nach Überprüfung der experimentellen Daten persönlich in die Datenbank einpflegen.
Eva Glink
Bild: Pixabay/augerto
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