Een team van CSIC-onderzoekers heeft ontdekt dat het speeksel van de wasworm plastic afbreekt; een ontdekking met tal van toepassingen voor het verwerken of recyclen van plastic afval. In 2017 ontdekte het team dat deze wormsoort (de lepidoptera Galleria mellonella) in staat is plastic (polyethyleen) af te breken, en nu hebben ze ontdekt hoe het dit doet:zijn speeksel bevat enzymen (die behoren tot de fenoloxidase-familie) die bij kamertemperatuur de afbraak van polyethyleen snel kunnen veroorzaken. Deze enzymen zijn de eerste en enige bekende enzymen die polyethyleenplastic kunnen afbreken zonder voorbehandeling, volgens Federica Bertocchini, een CSIC-onderzoeker bij het CIB-CSIC (Centre for Biological Research) die het onderzoek leidde. De resultaten van het werk, in afwachting van beoordeling, zijn in preprint gepubliceerd in de BioRxiv online archief.

"Om plastic af te breken, moet zuurstof het polymeer (het plastic molecuul) binnendringen. Dit is de eerste stap in oxidatie, die meestal het gevolg is van blootstelling aan zonlicht of hoge temperaturen, en vormt een knelpunt dat de afbraak van kunststoffen zoals polyethyleen, een van de meest resistente polymeren", legt Bertocchini uit. "Dat is de reden waarom plastic onder normale omgevingsomstandigheden maanden of zelfs jaren nodig heeft om te worden afgebroken", voegt ze eraan toe.

"Nu hebben we ontdekt dat enzymen in het speeksel van de wasworm deze cruciale stap uitvoeren:ze oxideren het plastic. Dit betekent dat ze het knelpunt in het plastic afbraakproces kunnen overwinnen en de ontbinding ervan kunnen versnellen", voegt ze eraan toe.

Polyethyleen is een van de taaiste en meest gebruikte kunststoffen. Samen met polypropyleen en polystyreen vormt het 70% van de totale plasticproductie. Plasticvervuiling vormt een bedreiging voor de gezondheid en het milieu van de planeet, dus het is dringend nodig om oplossingen te vinden om het plasticafvalprobleem aan te pakken. Een van de meest veelbelovende onderzoeksgebieden met het grootste potentieel is de biologische afbraak van kunststoffen. Dit proces staat bekend als biologische afbraak en wordt geassocieerd met micro-organismen zoals bacteriën en schimmels. Tot op heden is echter bekend dat slechts een handvol micro-organismen de taaie plastic polymeren die polyethyleen vormen, afbreken. Bovendien is in de meeste gevallen een agressieve voorbehandeling nodig om oxidatie te garanderen en zo de micro-organismen in staat te stellen enig effect (zij het langzaam) op het plastic uit te oefenen.

Plastic-etende wormen

Een paar jaar geleden opende zich een nieuw onderzoeksgebied met de ontdekking dat sommige insectensoorten van de Lepidoptera- en Coleoptera-orden polyethyleen en polystyreen kunnen afbreken. "In ons laboratorium hebben we het insect ontdekt dat het snelst lijkt te zijn:de larven van de lepidoptera Galleria mellonella, algemeen bekend als de wasworm", zegt Bertocchini. "Deze larven zijn in staat om de polymeren in het plastic heel snel te oxideren en af ​​te breken" (na slechts een uur blootstelling).

"De afgelopen jaren zijn er pogingen gedaan om erachter te komen hoe deze insecten dit voor elkaar krijgen. Talrijke studies hebben zich gericht op de micro-organismen die het spijsverteringsstelsel van deze wormen bewonen, gebaseerd op de veronderstelling dat de wormen plastic als voedsel kunnen gebruiken en dat het degradatie zou het gevolg zijn van hun metabolische activiteit en spijsverteringsprocessen", merkt de onderzoeker op. "Maar deze veronderstelling is zeer twijfelachtig, dus vanaf het begin heeft ons onderzoek zich gericht op de mondholte van de worm", legt ze uit.

"We hebben het gedrag van de wasworm onderzocht wanneer deze in contact komt met polyethyleen en ontdekten dat de enzymen die aanwezig zijn in het speeksel van de worm (d.w.z. de vloeistof in de mond van het insect) polyethyleen kunnen afbreken", vertelt Bertocchini. "Als het polymeer in contact komt met speeksel, oxideert en depolymeriseert het binnen een paar uur. We hebben gedegradeerde resten geïdentificeerd die zich vormen in de aanwezigheid van het speeksel van de worm", zegt ze.

Verder hebben de onderzoekers het speeksel geanalyseerd met behulp van elektronenmicroscopie en een hoog eiwitgehalte waargenomen. "We hebben twee enzymen uit het speeksel geïsoleerd die de oxidatie kunnen reproduceren die door het speeksel als geheel wordt geproduceerd", legt de onderzoeker uit. Deze twee eiwitten, Demetra en Ceres genaamd, behoren tot de familie van de fenoloxidase-enzymen.

"We ontdekten dat het Demetra-enzym een ​​significant effect had op polyethyleen en sporen (kleine kraters) achterliet op het oppervlak van het plastic, zichtbaar voor het blote oog; dit effect werd ook bevestigd door het verschijnen van afbraakproducten gevormd na blootstelling van het polyethyleen aan dit enzym. Het Ceres-enzym oxideert ook het polymeer, maar laat geen zichtbare sporen achter, wat suggereert dat de twee enzymen een ander effect hebben op polyethyleen", somt ze op.

Hoe fenoloxidase-enzymen werken

Fenolen zijn moleculen die door planten worden gebruikt om zich te verdedigen tegen potentiële vijanden, zoals insectenlarven. Daarom kunnen insecten fenoloxidase-enzymen produceren als een manier om plantenfenolen te oxideren en ze dus te neutraliseren, wat betekent dat ze zich veilig met de planten kunnen voeden. Fenolen zijn ook aanwezig in veel plastic additieven, waardoor ze doelwitten kunnen worden voor deze enzymen en de noodzakelijke voorwaarden kunnen scheppen voor oxidatie en depolymerisatie van het plastic. "Tot nu toe is dit slechts speculatie en verdere experimenten zullen nodig zijn om de werkingsmechanismen van het enzym diepgaand te onderzoeken", waarschuwen onderzoekers.

Een nog interessantere vraag is hoe waswormen dit vermogen hebben gekregen. Onderzoekers speculeren dat het te wijten kan zijn aan een evolutionair proces. Waswormen voeden zich met bijenkorfwas en stuifmeel van een grote verscheidenheid aan plantensoorten. Aangezien bijenkorfwas vol fenolen zit, zou dit type enzym zeer nuttig zijn voor deze insecten. Indirect zou dit verklaren waarom waswormen polyethyleen kunnen afbreken. Tot nu toe is deze theorie echter slechts speculatie en moeten we meer onderzoek doen waarbij insectenbiologie wordt gecombineerd met biotechnologie. + Verder verkennen

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