Scientists accidentally create mutant enzyme that eats plastic bottles

Wetenschappers hebben per ongeluk een gemuteerd enzym gemaakt dat plastic drinkflessen afbreekt. Deze doorbraak zou kunnen helpen bij het oplossen van de wereldwijde plasticvervuilingscrisis door voor het eerst volledige recycling van flessen mogelijk te maken.

Het nieuwe onderzoek werd gestimuleerd door de ontdekking in 2016 van de eerste bacterie die van nature geëvolueerd was om plastic te eten, gevonden op een stortplaats in Japan. Wetenschappers hebben nu de gedetailleerde structuur onthuld van het cruciale enzym dat door de bacterie wordt geproduceerd.

Het internationale team paste vervolgens het enzym aan om te zien hoe het geëvolueerd was, maar tests toonden aan dat ze per ongeluk het molecuul nog beter hadden gemaakt in het afbreken van het PET (polyethyleentereftalaat) plastic dat wordt gebruikt voor frisdrankflessen. “Wat eigenlijk bleek was dat we het enzym hadden verbeterd, wat een beetje een schok was,” zei prof. John McGeehan, van de Universiteit van Portsmouth, VK, die het onderzoek leidde. “Het is geweldig en een echte vondst.”

Het gemuteerde enzym heeft een paar dagen nodig om te beginnen met het afbreken van het plastic – veel sneller dan de eeuwen die het in de oceanen duurt. Maar de onderzoekers zijn optimistisch dat dit nog verder versneld kan worden en een levensvatbaar proces op grote schaal kan worden.

“Wat we hopen te doen is dit enzym gebruiken om dit plastic terug te veranderen in zijn oorspronkelijke componenten, zodat we het letterlijk kunnen recyclen tot plastic,” zei McGeehan. “Dat betekent dat we geen nieuwe olie meer hoeven op te graven en, fundamenteel, het zou de hoeveelheid plastic in het milieu moeten verminderen.”

Ongeveer 1 miljoen plastic flessen worden elke minuut wereldwijd verkocht en, met slechts 14% gerecycled, belanden veel ervan in de oceanen waar ze zelfs de meest afgelegen gebieden vervuilen, het zeeleven schaden en mogelijk mensen die zeevruchten eten. “Het is ongelooflijk resistent tegen afbraak. Sommige van die beelden zijn verschrikkelijk,” zei McGeehan. “Het is een van die wondermaterialen dat een beetje te goed is gemaakt.”

Op dit moment kunnen echter zelfs die flessen die gerecycled worden alleen worden omgezet in ondoorzichtige vezels voor kleding of tapijten. Het nieuwe enzym biedt een manier om heldere plastic flessen terug te recyclen tot heldere plastic flessen, wat de noodzaak om nieuw plastic te produceren drastisch zou kunnen verminderen.

“Je hebt altijd te maken met het feit dat olie goedkoop is, dus nieuw PET is goedkoop,” zei McGeehan. “Het is zo gemakkelijk voor fabrikanten om meer van dat spul te produceren, in plaats van zelfs maar te proberen te recyclen. Maar ik geloof dat er een publieke drijfveer is: de perceptie verandert zo sterk dat bedrijven beginnen te kijken naar hoe ze deze materialen goed kunnen recyclen.”

Het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, begon met het bepalen van de precieze structuur van het enzym dat door de Japanse bacterie werd geproduceerd. Het team gebruikte de Diamond Light Source, nabij Oxford, VK, een intense röntgenstraal die 10 miljard keer helderder is dan de zon en individuele atomen kan onthullen.

De structuur van het enzym leek sterk op een enzym dat door veel bacteriën is geëvolueerd om cutine af te breken, een natuurlijk polymeer dat door planten wordt gebruikt als beschermende laag. Maar toen het team het enzym manipuleerde om deze verbinding te onderzoeken, verbeterden ze per ongeluk het vermogen om PET af te breken.

“Het is een bescheiden verbetering – 20% beter – maar dat is niet het punt,” zei McGeehan. “Het is ongelooflijk omdat het ons vertelt dat het enzym nog niet geoptimaliseerd is. Het geeft ons de ruimte om alle technologie die al jaren in andere enzymontwikkeling wordt gebruikt, te benutten en een super-snel enzym te maken.”

Industriële enzymen worden veel gebruikt, bijvoorbeeld in waspoeders en biobrandstofproductie. Ze zijn in een paar jaar tot 1.000 keer sneller gemaakt, dezelfde tijdschaal die McGeehan voorziet voor het plastic-etende enzym. Een patent is aangevraagd op het specifieke gemuteerde enzym door de onderzoekers uit Portsmouth en die van het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory in Colorado.

Een mogelijke verbetering die wordt onderzocht, is het transplanteren van het gemuteerde enzym in een “extremofiele bacterie” die temperaturen boven het smeltpunt van 70°C van PET kan overleven – het plastic zal waarschijnlijk 10-100 keer sneller afbreken wanneer het gesmolten is.

Eerder onderzoek had aangetoond dat sommige schimmels PET-plastic kunnen afbreken, dat ongeveer 20% van de wereldwijde plasticproductie uitmaakt. Maar bacteriën zijn veel gemakkelijker te benutten voor industriële toepassingen.

Andere soorten plastic zouden kunnen worden afgebroken door bacteriën die momenteel in het milieu evolueren, zei McGeehan: “Mensen zijn nu actief op zoek naar die.” PET zinkt in zeewater, maar sommige wetenschappers hebben gespeculeerd dat plastic-etende bacteriën ooit op de enorme plastic afvaleilanden in de oceanen kunnen worden gespoten om ze op te ruimen.

“Ik denk dat [het nieuwe onderzoek] zeer opwindend werk is, dat aantoont dat er een groot potentieel is om enzymtechnologie te gebruiken om het groeiende afvalprobleem van de samenleving aan te pakken,” zei Oliver Jones, een chemicus aan de RMIT Universiteit in Melbourne, Australië, en niet betrokken bij het onderzoeksteam.

“Enzymen zijn niet-giftig, biologisch afbreekbaar en kunnen in grote hoeveelheden door micro-organismen worden geproduceerd,” zei hij. “Er is nog een lange weg te gaan voordat je grote hoeveelheden plastic met enzymen kunt recyclen, en het verminderen van de hoeveelheid plastic die in de eerste plaats wordt geproduceerd, zou misschien de voorkeur hebben. [Maar] dit is zeker een stap in de goede richting.”

Prof. Adisa Azapagic, van de Universiteit van Manchester in het VK, was het ermee eens dat het enzym nuttig zou kunnen zijn, maar voegde eraan toe: “Een volledige levenscyclusanalyse zou nodig zijn om ervoor te zorgen dat de technologie niet één milieuprobleem – afval – oplost ten koste van andere, waaronder extra broeikasgasemissies.”

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd van The Guardian. Lees het originele artikel hier.