Microbiologie in hapklare porties
Enzymen die plastic afbreken – een milieuvriendelijke oplossing voor plasticvervuiling
Het probleem
Kijk om je heen. Hoeveel objecten om je heen zijn gemaakt van plastic?
Stel je nu eens voor wat er gebeurt nadat je ze hebt gebruikt en ze in de prullenbak gooit. Misschien gooi je ze bij het restafval, misschien bij het recyclebare afval. Maar hoe dan ook, er is weinig hoop dat jouw plastic op een milieuvriendelijke manier wordt afgevoerd. Slechts 9% van het plastic afval wordt ooit gerecycled, en plastic dat op stortplaatsen terecht komt, breekt af tot hardnekkige microplastics die voor altijd een gevaar vormen voor het milieu. Bovendien kunnen gerecyclede kunststoffen slechts een beperkt aantal keren worden gebruikt en hebben ze weinig toepassingen.
De oplossing
Dus wat kunnen we doen aan het wereldwijde probleem van plasticvervuiling? Zoals biotechnologen het zien, kunnen we ofwel bioplastics maken die vanzelf afbreken in het milieu, of op zoek gaan naar organismen in de natuur die ze voor ons kunnen afbreken. De laatste van deze benaderingen wordt bioremediatie genoemd. De term verwijst naar het gebruik van biologische systemen om verontreinigende stoffen (zoals plastic in dit geval) uit het milieu te verwijderen. Deze aanpak is milieuvriendelijker dan conventionele fysieke en chemische afval beheersingsmethoden, en pakt ook rechtstreeks de kern van het probleem aan door giftige componenten te elimineren.
Een van de populaire benaderingen in onderzoek naar bioremediatie is het isoleren van enzymen die plastics afbreken uit bacteriën. Enzymen zijn biologische moleculen – specifiek, eiwitten – die een chemische reactie versnellen zonder zelf te worden verbruikt. Ze zijn essentieel voor de fysiologische processen van al het leven op aarde. De meeste bacteriële plastic-afbreekenzymen hebben echter een te lage efficiëntie om te worden ontwikkeld tot levensvatbare commerciële oplossingen voor plasticafbraak. Daarom ligt de focus van veel onderzoek op het verbeteren van de activiteit van deze enzymen.
De auteurs van deze studie besloten deze hindernis aan te pakken op een innovatieve manier – biofilms. Biofilms zijn aggregaten van bacteriën die bij elkaar worden gehouden door een slijmerige matrix die wordt afgescheiden door dezelfde bacteriën. Ze helpen bij het overleven en prolifereren van de bacteriën in ongunstige omgevingsomstandigheden.
De onderzoekers veronderstelden dat het verbeteren van het vermogen van de bacteriën om biofilms te vormen op plastic dat moet worden afgebroken, de concentratie van het enzym op het plastic zou verhogen door de moleculen in de matrix te vangen en daardoor de snelheid van biologische afbraak zou verhogen. Ze identificeerden ook nieuwe plastic-afbreekzymen en testten of hun efficiëntie kon worden verhoogd door biofilmvorming.
Hoe ze het deden
De onderzoekers besloten op zoek te gaan naar nieuwe enzymen die PET (polyethyleentereftalaat) zouden afbreken tot producten die kunnen worden omgezet in een biologisch afbreekbaar plastic, PHA (polyhydroxyalkanoaat). Daarom selecteerden de onderzoekers enkele enzymen waarvan ze wisten dat ze deze activiteit hadden en identificeerden ze nieuwe enzymen die vergelijkbaar waren met de geselecteerde.
Vervolgens testten de onderzoekers het vermogen van de enzymen om PET af te breken. Daartoe manipuleerden ze bacteriën – E. coli – om deze enzymen te produceren en controleerden ze hoe goed de bacteriën PET konden afbreken. Het bleek dat ze vrij goed waren, vooral in het geval van de twee enzymen aangeduid als Dh3 en Dh5.
De auteurs wilden biofilmvorming induceren in deze bacteriën. Daarvoor manipuleerden ze de productie van een ander eiwit genaamd DgcC in de bacteriën, wat hen hielp om beter biofilms te produceren. Ze merkten op dat alleen de bacteriën met DgcC biofilms konden vormen, en dus nam hun concentratie en aantal toe binnen de biofilm. Ze konden ook een verhoogde hoeveelheid PCL, een plastic vergelijkbaar met PET, afbreken in dezelfde hoeveelheid tijd in vergelijking met hun tegenhangers die geen biofilm vormden.
Toekomstperspectieven
Deze enzymen hebben enorm potentieel voor het duurzaam beheer van plastic afval. Zo kunnen bijvoorbeeld grootschalige fabrieken worden opgezet waar plastic afval rechtstreeks wordt omgezet in bioplastics door deze enzymen, of door de bacteriën die ze produceren. Grond die is verontreinigd met microplastics kan worden behandeld door deze speciale bacteriën te introduceren, zodat de kosten van transport kunnen worden verlaagd. Met behulp van de methoden in deze studie kunnen ook nog verschillende andere enzymen worden ontdekt die verschillende soorten plastic afbreken.
Deze studie vertegenwoordigt dus een spannende stap voorwaarts om plasticvervuiling op een milieuvriendelijke manier te bestrijden.
Link to the original post: Howard, S.A., McCarthy, R.R. Modulating biofilm can potentiate activity of novel plastic-degrading enzymes. npj Biofilms Microbiomes 9, 72 (2023). https://doi.org/10.1038/s41522-023-00440-1
Additional references:
- Kenny, S. T. et al. (2008). Up-Cycling of PET (Polyethylene Terephthalate) to the Biodegradable Plastic PHA (Polyhydroxyalkanoate). Environ. Sci. Technol. 42, 7696–7701, https://doi.org/10.1021/es801010e
- Kensa, V. M. (2011). Bioremediation-an overview. Journal of Industrial Pollution Control, 27(2), 161-168.
Featured image: Image created using Pexels and BioRender.com
Vertaald door: Mira Stas
micro-bites.org 