Onderzoekers van het Manchester Institute of Biotechnology (MIB) hebben een nieuw enzym-engineeringplatform ontwikkeld om plastic afbrekende enzymen te verbeteren door middel van gerichte evolutie.

Om het nut van hun platform te illustreren, hebben ze een enzym ontwikkeld dat met succes poly(ethyleen)tereftalaat (PET) kan afbreken, het plastic dat gewoonlijk wordt gebruikt in plastic flessen.

In de afgelopen jaren is de enzymatische recycling van kunststoffen naar voren gekomen als een aantrekkelijke en milieuvriendelijke strategie om de problemen in verband met plastic afval te helpen verlichten. Hoewel er een aantal bestaande methoden zijn voor het recyclen van kunststoffen, kunnen enzymen mogelijk een kosteneffectiever en energiezuiniger alternatief bieden. Daarnaast kunnen ze worden gebruikt om specifieke componenten van gemengde kunststofafvalstromen die momenteel moeilijk te recyclen zijn met bestaande technologieën, selectief af te breken.

Hoewel veelbelovend als technologie, zijn er aanzienlijke hindernissen die overwonnen moeten worden voordat enzymatische kunststofrecycling op grote schaal op commerciële schaal kan worden gebruikt. Een uitdaging is bijvoorbeeld dat natuurlijke enzymen die plastic kunnen afbreken doorgaans minder effectief zijn en onstabiel zijn onder de omstandigheden die nodig zijn voor een proces op industriële schaal.

Om deze beperkingen aan te pakken, staat in een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Nature Catalysis , hebben onderzoekers van de Universiteit van Manchester een nieuw enzym-engineeringplatform gerapporteerd dat de eigenschappen van plastic afbrekende enzymen snel kan verbeteren om ze geschikter te maken voor plasticrecycling op grote schaal. Hun geïntegreerde en geautomatiseerde platform kan het plasticdegradatievermogen van ongeveer 1000 enzymvarianten per dag met succes beoordelen.

Dr. Elizabeth Bell, die het experimentele werk aan het MIB leidde, zegt dat "de accumulatie van plastic in het milieu een grote wereldwijde uitdaging is. Daarom wilden we graag onze enzymevolutiemogelijkheden gebruiken om de eigenschappen van plastic afbrekende enzymen om een ​​aantal van deze problemen te helpen verlichten. We hebben goede hoop dat ons schaalbare platform ons in de toekomst in staat zal stellen om snel nieuwe en specifieke enzymen te ontwikkelen die geschikt zijn voor gebruik in grootschalige kunststofrecyclingprocessen."

Om hun platform te testen, ontwikkelden ze een nieuw enzym, HotPETase, door de gerichte evolutie van IsPETase. IsPETase is een recent ontdekt enzym geproduceerd door de bacterie Ideonella sakaiensis, die PET kan gebruiken als koolstof- en energiebron.

Hoewel IsPETase het natuurlijke vermogen heeft om sommige semi-kristallijne vormen van PET af te breken, is het enzym onstabiel bij temperaturen boven 40°C, ver beneden de gewenste procesomstandigheden. Deze lage stabiliteit betekent dat reacties moeten worden uitgevoerd bij temperaturen onder de glasovergangstemperatuur van PET (~65 °C), wat leidt tot lage depolymerisatiesnelheden.

Om deze beperking aan te pakken, ontwikkelde het team een ​​thermostabiel enzym, HotPETase, dat actief is bij 70°C, wat hoger is dan de glasovergangstemperatuur van PET. Dit enzym kan semi-kristallijn PET sneller depolymeriseren dan eerder gerapporteerde enzymen en kan selectief de PET-component van een gelamineerd verpakkingsmateriaal deconstrueren, wat de selectiviteit benadrukt die kan worden bereikt door enzymatische recycling.

Professor Anthony Green, docent organische chemie, zegt dat "de ontwikkeling van HotPETase een mooie illustratie is van de mogelijkheden van ons enzymtechnologieplatform. We zijn nu verheugd om samen te werken met procesingenieurs en polymeerwetenschappers om ons enzym te testen in toepassingen in de echte wereld. Vooruit, we hebben goede hoop dat ons platform nuttig zal zijn voor het ontwikkelen van efficiëntere, stabielere en selectievere enzymen voor het recyclen van een breed scala aan plastic materialen."

De ontwikkeling van robuuste plastic afbrekende enzymen zoals HotPETase, samen met de beschikbaarheid van een veelzijdig platform voor enzymengineering, leveren een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling van een biotechnologische oplossing voor de uitdaging van plastic afval. Om deze veelbelovende technologie vooruit te helpen, is nu een gezamenlijke en multidisciplinaire inspanning nodig waarbij biotechnologen, procesingenieurs en polymeerwetenschappers uit de academische en industriële gemeenschappen betrokken zijn. Nu de wereld wordt geconfronteerd met een steeds groter wordend afvalprobleem, zou biotechnologie een ecologisch duurzame oplossing kunnen bieden. + Verder verkennen

Nieuwe ontdekking van enzymen is weer een sprong in de richting van het verslaan van plastic afval