Een enzymvariant die is gemaakt door ingenieurs en wetenschappers van de Universiteit van Texas in Austin, kan milieubeperkende kunststoffen afbreken die doorgaans eeuwen nodig hebben om in slechts enkele uren tot dagen afgebroken te worden.

Deze ontdekking, vandaag gepubliceerd in Nature , zou kunnen helpen bij het oplossen van een van 's werelds meest urgente milieuproblemen:wat te doen met de miljarden tonnen plastic afval die zich ophopen op stortplaatsen en onze natuurlijke gronden en water vervuilen. Het enzym heeft het potentieel om recycling op grote schaal te stimuleren, waardoor grote industrieën hun impact op het milieu kunnen verminderen door kunststoffen op moleculair niveau terug te winnen en opnieuw te gebruiken.

"De mogelijkheden zijn eindeloos in alle sectoren om gebruik te maken van dit geavanceerde recyclingproces", zegt Hal Alper, professor aan de McKetta Department of Chemical Engineering aan de UT Austin. "Naast de voor de hand liggende afvalverwerkingsindustrie, biedt dit bedrijven uit elke sector ook de mogelijkheid om het voortouw te nemen bij het recyclen van hun producten. Door deze duurzamere enzymbenaderingen kunnen we ons een echte circulaire plasticeconomie gaan voorstellen."

Het project richt zich op polyethyleentereftalaat (PET), een belangrijk polymeer dat wordt aangetroffen in de meeste consumentenverpakkingen, waaronder koekjescontainers, frisdrankflessen, fruit- en saladeverpakkingen, en bepaalde vezels en textiel. Het vormt 12% van al het wereldwijde afval.

Het enzym was in staat om een ​​"circulair proces" te voltooien waarbij het plastic in kleinere delen werd afgebroken (depolymerisatie) en het vervolgens chemisch weer in elkaar werd gezet (repolymerisatie). In sommige gevallen kunnen deze kunststoffen in slechts 24 uur volledig worden afgebroken tot monomeren.

Onderzoekers van de Cockrell School of Engineering en College of Natural Sciences gebruikten een machine learning-model om nieuwe mutaties te genereren in een natuurlijk enzym, PETase genaamd, waarmee bacteriën PET-plastics kunnen afbreken. Het model voorspelt welke mutaties in deze enzymen het doel zouden bereiken om afvalplastic na consumptie snel te depolymeriseren bij lage temperaturen.

Door middel van dit proces, waaronder het bestuderen van 51 verschillende post-consumer plastic containers, vijf verschillende polyester vezels en stoffen en waterflessen allemaal gemaakt van PET, bewezen de onderzoekers de effectiviteit van het enzym, dat ze FAST-PETase (functioneel, actief, stabiele en tolerante PETase).

"Dit werk toont echt de kracht aan van het samenbrengen van verschillende disciplines, van synthetische biologie tot chemische technologie tot kunstmatige intelligentie", zegt Andrew Ellington, professor in het Center for Systems and Synthetic Biology wiens team de ontwikkeling van het machine learning-model leidde.

Recycling is de meest voor de hand liggende manier om plastic afval te verminderen. Maar wereldwijd is minder dan 10% van al het plastic gerecycled. De meest gebruikelijke methode om plastic weg te gooien, naast het op een stortplaats te gooien, is het te verbranden, wat kostbaar en energie-intensief is en schadelijk gas in de lucht spuwt. Andere alternatieve industriële processen zijn zeer energie-intensieve processen van glycolyse, pyrolyse en/of methanolyse.

Biologische oplossingen kosten veel minder energie. Het onderzoek naar enzymen voor het recyclen van plastic is de afgelopen 15 jaar gevorderd. Tot nu toe was het echter niemand gelukt om enzymen te maken die efficiënt konden werken bij lage temperaturen om ze zowel draagbaar als betaalbaar te maken op grote industriële schaal. FAST-PETase kan het proces uitvoeren bij minder dan 50 graden Celsius.

Vervolgens is het team van plan om te werken aan het opschalen van de enzymproductie om zich voor te bereiden op industriële en milieutoepassingen. De onderzoekers hebben een patentaanvraag ingediend voor de technologie en zijn op zoek naar verschillende toepassingen. Het opruimen van stortplaatsen en het vergroenen van industrieën die veel afval produceren, zijn het meest voor de hand liggend. Maar een ander belangrijk potentieel gebruik is milieusanering. Het team bekijkt een aantal manieren om de enzymen het veld in te krijgen om vervuilde locaties op te ruimen.

"Bij het overwegen van toepassingen voor het opruimen van het milieu, heb je een enzym nodig dat bij omgevingstemperatuur in de omgeving kan werken. Deze vereiste is waar onze technologie in de toekomst een enorm voordeel heeft", zei Alper.

Alper, Ellington, universitair hoofddocent chemische technologie Nathaniel Lynd en Hongyuan Lu, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Alper, leidden het onderzoek. Danny Diaz, een lid van Ellington's lab, heeft het machine learning-model gemaakt. Andere teamleden zijn onder meer uit de chemische technologie:Natalie Czarnecki, Congzhi Zhu en Wantae Kim; en uit de moleculaire biowetenschappen:Daniel Acosta, Brad Alexander, Yan Jessie Zhang en Raghav Shroff. + Verder verkennen

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