Enzymen die in de natuur voorkomen, kunnen bepaalde kunststoffen afbreken, maar niet goed genoeg om industriële recycling te ondersteunen en de plaag van plastic afval een halt toe te roepen. Voortbouwend op wat de natuur ons heeft gegeven, onderzoekers van Rensselaer Polytechnic Institute hebben de efficiëntie verbeterd van een blad- en takcompostcutinase dat polyethyleentereftalaat (PET) afbreekt, het plastic dat wordt gebruikt in doorzichtige en gekleurde plastic waterflessen en vele andere producten. Onderzoekers geloven dat het enzym verder kan worden verfijnd, een veelbelovende kandidaat voor de onbeperkte recycling van PET en mogelijk andere kunststoffen zoals celluloseacetaat.

In werk dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Biochemie , de onderzoekers gebruikten gistcellen om het blad- en takcompostcutinase (LCC) tot expressie te brengen, gemodificeerd door de toevoeging van suikermoleculen - of glycanen - op twee locaties. Het "geglycosyleerde" gemodificeerde enzym behield ten minste de helft van zijn activiteit na 48 uur bij 75 graden Celsius, versus een eerder gerapporteerde halfwaardetijd van 40 minuten voor het ongemodificeerde enzym bij 70 graden Celsius.

"We hebben kunststoffen en andere materialen nodig die goede prestaties behouden en, na gebruik, kunnen vervolgens door veilige en milde processen worden afgebroken tot hun oorspronkelijke bouwstenen voor hergebruik, " zei Richard Gross, hoofdauteur van het onderzoek, Constellatie Hoogleraar Biokatalyse en Metabolic Engineering, lid van het Centrum voor Biotechnologie en Interdisciplinaire Studies, en hoogleraar scheikunde en chemische biologie aan Rensselaer. "Het doel moet nul afval zijn en om dat te doen, we moeten hergebruik inbouwen in het ontwerp van een breed scala aan polymeren en materialen. Dit is een bemoedigende stap in de richting van dat doel."

"Deze veelbelovende vooruitgang, die hard nodig is omdat plasticvervuiling een steeds grotere bedreiging voor ons milieu wordt, is het resultaat van de diverse vaardigheden en de samenwerkingsomgeving die we bij Rensselaer hebben opgebouwd", aldus Deepak Vashishth, directeur van het Centrum voor Biotechnologie en Interdisciplinaire Studies. "Het onderzoek van Dr. Gross overspant de grenzen tussen biologische geneesmiddelen en bioproductie, en zal ons zeker helpen bij het oplossen van de kritieke problemen waarmee we worden geconfronteerd."

Met bestaande technologieën, een plastic fles wordt niet zozeer gerecycled als wel gedowncycled. Na eenmalig gebruik, een hoog percentage PET-flessen gaat rechtstreeks naar stortplaatsen of wordt hergebruikt als andere kunststoffen zoals PET-vezels en fleece voor kleding, tapijt, Tassen, meubilair, en verpakkingsmaterialen. Eventueel, downcycled PET vindt zijn weg naar stortplaatsen of andere ongewenste omgevingen zoals oceanen en meren, een lot waar veel consumenten zich niet van bewust zijn als ze hun waterflessen in een prullenbak gooien.

PET opsplitsen in zijn bouwstenen - tereftaalzuur en ethyleenglycol - zou het grenzeloze hergebruik mogelijk maken dat vaker wordt geassocieerd met andere recyclebare materialen zoals glas en metaal. Sommige natuurlijk voorkomende enzymen kunnen PET afbreken, maar niet binnen de beperkingen van tijd en temperatuur die vereist zijn voor een industrieel recyclingproces. Veel enzymen verliezen hun activiteit bij hogere temperaturen, en uiteindelijk denatureren. Een enzym dat geschikt is voor industriële recycling moet bij optimale temperatuur kunnen werken voor het afbreken van PET, dat is ongeveer 75 graden Celsius, en het moet zijn activiteit lang genoeg behouden om zijn werk bij die temperatuur kosteneffectief te kunnen doen.

LCC werd aanvankelijk ontdekt door middel van metagenomische analyse van een bladtakcompost, wat betekent dat wetenschappers DNA hebben geëxtraheerd dat in een compost wordt gevonden, ongeacht de organismen die het hebben geproduceerd, en vervolgens het DNA gebruikten om aanwezige enzymen tot expressie te brengen en te catalogiseren. Een studie uit 2012 gepubliceerd door niet-verwante onderzoekers in het tijdschrift Toegepaste en milieumicrobiologie toonde aan dat LCC in staat was te hydrolyseren, of kapot gaan, HUISDIER, maar verloor snel activiteit bij hogere temperaturen. Dat trok de aandacht van Gross, een expert op het gebied van biokatalytische en chemische synthesemethoden, die de mogelijkheid zagen om de "kinetische stabiliteit" van het enzym te verbeteren zonder het vermogen om PET af te breken te beschadigen.

Het laboratorium bestudeerde het enzym en vond drie afzonderlijke glycosyleringsplaatsen, aminozuursequenties waaraan glycanen zijn gehecht tijdens eiwitsynthese. Gross zei dat de glycosyleringsplaatsen in een vorig organisme kunnen zijn geëvolueerd en geconserveerd kunnen zijn, ook al werden ze niet gebruikt door de natuurlijke bacterie die dit eiwit oorspronkelijk produceerde. Achteloos, toen het team het enzym tot expressie bracht met behulp van de giststam Pichia pastoris, ze ontdekten dat de gist het enzym op de drie plaatsen van nature glycosyleerde. Verder onderzoek toonde aan dat twee glycosyleringsplaatsen een effectiever enzym opleverden dan drie plaatsen.

Met alleen die kleine veranderingen, het team zag een meer dan 60-voudige verbetering in kinetische stabiliteit. En Gross zei dat aanvullend onderzoek zal onderzoeken hoe de kinetiek en de algehele activiteit van het enzym verder kunnen worden verbeterd door te experimenteren met aminozuursequenties om variantstructuren te creëren. Door dit werk, Gross verwacht de ontwerpregels te begrijpen die tot betere prestaties leiden.

"Deze cutinase is een uitstekende kandidaat voor commercialisering, maar dit werk zal ons ook helpen andere cutinasen te herontwerpen om andere polymeren af ​​te breken, en dat is een veel groter eindspel, ' zei Gros.

"Stabilizing Leaf and Branch Compost Cutinase (LCC) with Glycosylation:Mechanism and Effect on PET Hydrolysis" werd gepubliceerd in Biochemie .