Jährlich werden weltweit rund 400 Millionen Tonnen Kunststoffe produziert, eine Zahl, die jährlich um etwa 4 % steigt. Die bei ihrer Herstellung entstehenden Emissionen sind einer der Faktoren, die zum Klimawandel beitragen, und ihre allgegenwärtige Präsenz in Ökosystemen führt zu schwerwiegenden ökologischen Problemen.
Eines der am häufigsten verwendeten ist PET (Polyethylenterephthalat), das in vielen Verpackungen und Getränkeflaschen enthalten ist. Mit der Zeit zerfällt dieses Material in immer kleinere Partikel – sogenanntes Mikroplastik – was die Umweltprobleme verschärft. PET macht bereits mehr als 10 % der weltweiten Kunststoffproduktion aus und Recycling ist rar und ineffizient.
Jetzt haben Wissenschaftler des Barcelona Supercomputing Center – Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) zusammen mit Forschungsgruppen des Instituts für Katalyse und Petrochemie des CSIC (ICP-CSIC) und der Complutense-Universität Madrid (UCM) eine Entwicklung durchgeführt Künstliche Proteine, die in der Lage sind, PET-Mikroplastik und Nanoplastik abzubauen und in ihre wesentlichen Bestandteile zu reduzieren, sodass sie abgebaut oder recycelt werden können.
Sie nutzten ein Abwehrprotein aus der Erdbeeranemone (Actinia fragacea) und ergänzten es nach einem Entwurf mit rechnerischen Methoden um die neue Funktion. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkatalyse.
Die Natur erweitern
„Was wir tun, ist so etwas wie das Hinzufügen von Waffen zu einer Person“, erklärt Víctor Guallar, ICREA-Professor am BSC und einer der Autoren der Arbeit. Diese Arme bestehen aus nur drei Aminosäuren, die als Schere fungieren und kleine PET-Partikel schneiden können. In diesem Fall wurden sie einem Protein aus der Anemone Actinia fragacea zugesetzt, der diese Funktion grundsätzlich fehlt und die in der Natur „als Zellbohrer fungiert, Poren öffnet und als Abwehrmechanismus fungiert“, erklärt der Forscher.
Maschinelles Lernen und Supercomputer wie der MareNostrum 4 des BSC, der bei diesem Protein-Engineering zum Einsatz kommt, ermöglichen „die Vorhersage, wo sich die Partikel verbinden werden und wo wir die neuen Aminosäuren platzieren müssen, damit sie ihre Wirkung entfalten können“, sagt Guallar. Die resultierende Geometrie ähnelt stark der des PETase-Enzyms aus dem Bakterium Idionella sakaiensis, das diese Art von Kunststoff abbauen kann und 2016 in einer Verpackungsrecyclinganlage in Japan entdeckt wurde.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das neue Protein in der Lage ist, PET-Mikro- und Nanoplastik mit „einer Effizienz, die fünf- bis zehnmal höher ist als die der derzeit auf dem Markt befindlichen PETasen und bei Raumtemperatur“, abzubauen, erklärt Guallar. Andere Ansätze erfordern Temperaturen über 70 °C, um den Kunststoff formbarer zu machen, was zu hohen CO2-Emissionen führt und seine Anwendbarkeit einschränkt.
Darüber hinaus wurde die porenartige Struktur des Proteins gewählt, weil sie Wasser passieren lässt und weil es an Membranen verankert werden kann, die denen in Entsalzungsanlagen ähneln. Dies würde den Einsatz in Form von Filtern erleichtern, die „in Kläranlagen eingesetzt werden könnten, um jene Partikel abzubauen, die wir nicht sehen, die aber sehr schwer zu beseitigen sind und die wir aufnehmen“, sagt Manuel Ferrer, Forschungsprofessor an der Universität ICP-CSIC und auch verantwortlich für die Studie.
Ein Design, das Reinigung und/oder Recycling ermöglicht
Ein weiterer Vorteil des neuen Proteins besteht darin, dass zwei Varianten entworfen wurden, je nachdem, wo die neuen Aminosäuren platziert werden. Das Ergebnis ist, dass jeweils unterschiedliche Produkte entstehen.
„Die eine Variante zersetzt die PET-Partikel gründlicher und könnte so für den Abbau in Kläranlagen genutzt werden. Bei der anderen Variante entstehen Ausgangskomponenten, die für das Recycling benötigt werden. So können wir je nach Bedarf reinigen oder recyceln.“ erklärt Laura Fernández López, die am Institut für Katalyse und Petrochemie (ICP-CSIC) des CSIC an ihrer Doktorarbeit arbeitet.
Das aktuelle Design könnte den Forschern zufolge bereits Anwendungen haben, aber „die Flexibilität des Proteins, wie die eines Mehrzweckwerkzeugs, würde es ermöglichen, neue Elemente und Kombinationen hinzuzufügen und zu testen“, erklärt Dr. Sara García Linares. von der Complutense-Universität Madrid, der ebenfalls an der Forschung beteiligt war.
„Wir wollen das Potenzial von Proteinen aus der Natur und maschinellem Lernen mit Supercomputern kombinieren, um neue Designs zu entwickeln, die es uns ermöglichen, eine gesunde Umwelt ohne Plastik zu erreichen“, sagt Ferrer.
„Computergestützte Methoden und Biotechnologie können es uns ermöglichen, Lösungen für viele der ökologischen Probleme zu finden, die uns betreffen“, schließt Guallar.
Mehr Informationen:
Ana Robles-Martín et al., Dekonstruktion von Polyethylenterephthalat im Submikro- und Nanobereich mit manipulierten Protein-Nanoporen, Naturkatalyse (2023). DOI: 10.1038/s41929-023-01048-6