Wetenschappers hebben een enzym ontwikkeld dat enkele van onze meest vervuilende kunststoffen kan verteren. een mogelijke oplossing bieden voor een van 's werelds grootste milieuproblemen.

De ontdekking kan leiden tot een recyclingoplossing voor miljoenen tonnen plastic flessen, gemaakt van polyethyleentereftalaat, of PET, die momenteel honderden jaren in het milieu aanwezig is.

Het onderzoek werd geleid door teams van de Universiteit van Portsmouth en het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse Department of Energy en is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

Professor John McGeehan van de Universiteit van Portsmouth en Dr. Gregg Beckham van NREL hebben de kristalstructuur van PETase opgelost - een recent ontdekt enzym dat PET verteert - en gebruikten deze 3D-informatie om te begrijpen hoe het werkt. Tijdens deze studie, ze hebben onbedoeld een enzym ontwikkeld dat zelfs beter is in het afbreken van het plastic dan het enzym dat in de natuur is geëvolueerd.

De onderzoekers werken nu aan het verder verbeteren van het enzym, zodat het in een fractie van de tijd industrieel kan worden gebruikt om plastic af te breken.

Professor McGeehan, Directeur van het Instituut voor Biologische en Biomedische Wetenschappen van de School voor Biologische Wetenschappen in Portsmouth, zei:"Weinigen hadden kunnen voorspellen dat sinds plastic populair werd in de jaren zestig, er enorme plastic afvalplekken in de oceanen zouden worden gevonden, of aangespoeld op ooit ongerepte stranden over de hele wereld.

"We kunnen allemaal een belangrijke rol spelen bij het aanpakken van het plasticprobleem, maar de wetenschappelijke gemeenschap die deze 'wondermaterialen' uiteindelijk heeft gemaakt, moeten nu alle beschikbare technologie gebruiken om echte oplossingen te ontwikkelen."

De onderzoekers maakten de doorbraak toen ze de structuur onderzochten van een natuurlijk enzym waarvan wordt aangenomen dat het is geëvolueerd in een afvalrecyclingcentrum in Japan, waardoor een bacterie plastic kan afbreken als voedselbron.

HUISDIER, gepatenteerd als plastic in de jaren 40, bestaat nog niet zo lang in de natuur, dus ging het team op zoek naar hoe het enzym evolueerde en of het mogelijk was om het te verbeteren.

Het doel was om de structuur te bepalen, maar uiteindelijk gingen ze een stap verder en ontwikkelden ze per ongeluk een enzym dat nog beter was in het afbreken van PET-plastics.

"Serendipiteit speelt vaak een belangrijke rol in fundamenteel wetenschappelijk onderzoek en onze ontdekking hier is geen uitzondering, ' zei professor McGeehan.

"Hoewel de verbetering bescheiden is, deze onverwachte ontdekking suggereert dat er ruimte is om deze enzymen verder te verbeteren, brengt ons dichter bij een recyclingoplossing voor de steeds groter wordende berg afgedankte kunststoffen."

Het onderzoeksteam kan nu de tools van eiwittechnologie en -evolutie toepassen om het te blijven verbeteren.

De University of Portsmouth en NREL werkten samen met wetenschappers van de Diamond Light Source in het Verenigd Koninkrijk, een synchrotron die intense bundels röntgenstralen gebruikt die 10 miljard keer helderder zijn dan de zon om te fungeren als een microscoop die krachtig genoeg is om individuele atomen te zien.

Met behulp van hun nieuwste laboratorium, bundellijn I23, een 3D-model met ultrahoge resolutie van het PETase-enzym werd tot in de kleinste details gegenereerd.

Professor McGeehan zei:"De Diamond Light Source heeft onlangs een van de meest geavanceerde röntgenbundellijnen ter wereld gecreëerd en door toegang tot deze faciliteit konden we de 3D-atomaire structuur van PETase in ongelooflijk detail zien. In staat zijn om de innerlijke werking te zien van deze biologische katalysator gaf ons de blauwdrukken om een ​​sneller en efficiënter enzym te ontwikkelen."

Chief Executive van de Diamond Light Source, Professor Andrew Harrison, zei:"Met input van vijf instellingen in drie verschillende landen, dit onderzoek is een mooi voorbeeld van hoe internationale samenwerking kan bijdragen aan belangrijke wetenschappelijke doorbraken.

"Het detail dat het team heeft kunnen halen uit de resultaten die zijn behaald op de I23-bundellijn bij Diamond, zal van onschatbare waarde zijn bij het zoeken naar het afstemmen van het enzym voor gebruik in grootschalige industriële recyclingprocessen. De impact van zo'n innovatieve oplossing voor plastic afval zou wereldwijd zijn. Het is fantastisch dat Britse wetenschappers en faciliteiten het voortouw nemen."

Met hulp van de computationele modelleringswetenschappers van de Universiteit van Zuid-Florida en de Universiteit van Campinas in Brazilië, het team ontdekte dat PETase erg lijkt op een cutinase, maar het heeft een aantal ongebruikelijke kenmerken, waaronder een meer open actieve site, in staat om door de mens gemaakte in plaats van natuurlijke polymeren te accommoderen. Deze verschillen gaven aan dat PETase mogelijk is geëvolueerd in een PET-bevattende omgeving om het enzym in staat te stellen PET af te breken. Om die hypothese te testen, de onderzoekers muteerden de actieve site van PETase om het meer op een cutinase te laten lijken.

En toen gebeurde het onverwachte - de onderzoekers ontdekten dat de PETase-mutant beter was dan de natuurlijke PETase in het afbreken van PET.

aanzienlijk, het enzym kan ook polyethyleenfurandicarboxylaat afbreken, of PEF, een biobased vervanger voor PET-plastic die wordt geprezen als vervanger van glazen bierflesjes.

Professor McGeehan zei:"Het engineeringproces is vrijwel hetzelfde als voor enzymen die momenteel worden gebruikt in wasmiddelen voor biologisch wassen en bij de productie van biobrandstoffen - de technologie bestaat en het is goed mogelijk dat we in de komende jaren een industrieel levensvatbare proces om PET en mogelijk andere substraten zoals PEF om te zetten, PLA, en PBS, terug in hun oorspronkelijke bouwstenen, zodat ze duurzaam kunnen worden gerecycled."

De hoofdauteur van het artikel is een postdoctorale student die gezamenlijk wordt gefinancierd door de Universiteit van Portsmouth en NREL, Harry Austin.

Hij zei:"Dit onderzoek is nog maar het begin en er valt nog veel meer te doen op dit gebied. Ik ben verheugd deel uit te maken van een internationaal team dat een van de grootste problemen van onze planeet aanpakt."