Ein Bakterium, das das häufig vorkommende Polymer Polybutylensuccinat (PBS) abbauen kann, das in Meeresumgebungen auf natürliche Weise nur in begrenztem Umfang biologisch abbaubar ist, könnte zu verbesserten Möglichkeiten für das Recycling dieses Polymers führen. Das Potenzial des Bakteriums und seines Enzymmoleküls, das PBS abbaut, wurden von Forschern der Universität Hokkaido in Zusammenarbeit mit Kollegen der Mitsubishi Chemical Group in Japan entdeckt. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift Umweltmikrobiologie.
PBS gilt im Allgemeinen als umweltfreundliches Polymer, da es biologisch abbaubar ist, wenn es an Land entsorgt und der Atmosphäre ausgesetzt wird. Dies hat dazu geführt, dass es seit den frühen 1990er Jahren zunehmend in industriellen Kunststoffen verwendet wird, darunter Mulchfolien, kompostierbare Beutel und Catering-Verpackungen. Aber viele weggeworfene Kunststoffe gelangen irgendwann ins Meer, und leider lässt sich PBS in dieser Umgebung nicht gut biologisch abbauen.
„Die Plastikverschmutzung im Meer ist ein globales Problem und wir müssen es angehen, indem wir ein neues Verständnis des Plastikverhaltens in dieser Umwelt und neue Technologien zur Bewältigung der Verschmutzung gewinnen“, sagt Tomoo Sawabe, Leiter des Forschungsteams an der Fakultät der Hokkaido-Universität der Fischereiwissenschaften.
Da bisher nur eine kleine Anzahl mariner Mikroorganismen entdeckt worden war, die in der Lage waren, PBS biologisch abzubauen, machten sich Sawabe und seine Kollegen daran, andere zu finden, insbesondere solche mit besserer Aktivität.
Sie untersuchten die Wirkung von Mikroben aus natürlichem Meerwasser vor Japan auf PBS und konnten so mehrere Arten von Meeresbakterien identifizieren, die es abbauen könnten. Sie identifizierten auch das Enzym, das für den Abbau von PBS in einem bestimmten Bakterienstamm namens Vibrio ruber verantwortlich ist. Sie nannten das Enzym PBSase.
Anschließend gingen sie noch einen Schritt weiter und verwendeten molekularbiologische Techniken, um das Gen für PBSase in das verbreitete Bakterium Escherichia coli einzuführen, das sie kultivierten, um hochreine Proben des Enzyms für weitere Untersuchungen zu produzieren.
„Die Aufklärung des Abbaumechanismus im Meerwasser auf molekularer Ebene könnte zur Entwicklung neuer biologisch abbaubarer Meerespolymere führen“, sagt Yasuhito Yamamoto, Sawabes Mitarbeiter bei der Mitsubishi Chemical Corporation der Mitsubishi Chemical Group. „Dieses Enzym könnte als Zersetzungsbeschleuniger oder Katalysator für das chemische Recycling gesammelter Kunststoffabfälle verwendet werden.“
Die Verfügbarkeit des gereinigten Enzyms ermöglichte es den Forschern auch, seine Struktur zu untersuchen. Simulationen deuten darauf hin, dass es eng mit einem anderen Enzym verwandt ist, von dem bekannt ist, dass es ein anderes häufig vorkommendes Polymer abbaut: Polyethylenterephthalat (PET).
„Durch die Untersuchung der Aktivität des Enzyms beim Abbau anderer Polymere wie PET hoffen wir, dass unsere Arbeit in größerem Umfang zu Fortschritten bei Kunststoffrecyclingtechnologien beitragen wird“, schließt Sawabe.
Diese Forschung ist Teil umfassenderer Bemühungen, die Komplexität biologisch abbaubarer Polymertechnologien anzugehen, die durch ihre unterschiedliche biologische Abbaubarkeit an Land und im Meer verursacht wird. Indem Wissenschaftler mehr darüber erfahren, was die biologische Abbaubarkeit in verschiedenen Umgebungen steuert, können sie hoffentlich Polymere entwickeln, die sich am besten für die Umgebungen eignen, in denen sie verwendet werden, und für die Umgebungen, in denen sie nach der Verwendung möglicherweise landen.
Mehr Informationen:
Yutaro Kimura et al., Eine Lehre von der Polybutylensuccinat-Plastisphäre bis zur Entdeckung neuartiger plastikabbauender Enzymgene in Meeresvibrios, Umweltmikrobiologie (2023). DOI: 10.1111/1462-2920.16512