Ny information om, hvordan affaldsspisende bakterier fordøjer komplekse kulstoffer kan føre til genanvendelse af plastik, planteaffald

Ny forskning ledet af National Institute of Standards and Technology (NIST) afslører, hvordan affaldsspisende, kompostdannende bakterier bruger enzymer til at fordøje komplekse kulstofforbindelser, der findes i alt fra brugt madolie til gammelt tøj lavet af bomuld.

Resultaterne, offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature Communications, kan en dag føre til genbrugsprocesser i industriel skala, der omdanner madaffald, bomuld og andet organisk materiale til nye produkter. Det kunne også bane vejen for en mere effektiv omdannelse af plantemateriale til biobrændstoffer.

"Disse enzymer hjælper med at gøre kulstofgenanvendelse i miljøet mulig, og vi kan muligvis bruge viden om, hvordan de fungerer til at konstruere bedre versioner til genbrugsformål," sagde NIST mikrobiel biolog Adam Guss.

En af de vigtigste dele af kulstofkredsløbet er nedbrydningen af ​​organisk stof (alt fra gamle blade til bomuldstøj til døde mikroorganismer) af bakterier og svampe. Denne nedbrydningsproces returnerer værdifuldt kulstof og næringsstoffer til jorden, hvor det kan føde nyt liv - så længe det organiske materiale er biologisk nedbrydeligt. Syntetiske eller højforarbejdede organiske materialer nedbrydes typisk ikke godt, og det er blevet et stort problem for miljøet.

Men visse enzymer kendt som lytiske polysaccharid monooxygenaser (LPMO'er) tillader nogle bakterier og svampe at omgå det hårde ydre af ellers ufordøjeligt organisk materiale, hvilket gør det muligt for mikroberne at nedbryde de indre dele af molekylerne til mad og energi.

Som deres navn antyder, bruger LPMO'er oxygen og metalioner såsom kobber eller jern til at nedbryde sukkerbaserede molekyler kendt som polysaccharider, der er en del af stilladset af plantecellevægge i blade og bomuldsfibre såvel som i eksoskeleterne af kitin - indeholdende svampe og insekter.

NIST-undersøgelsen fokuserede på en LPMO produceret af en bakterie kaldet Streptomyces coelicolor, en art kendt for at nedbryde plantemateriale som en del af kompostdannelsesprocessen. Den bakterielle LPMO var i stand til at nedbryde polysaccharider på atomniveau uden at forstyrre cellulose-"rygraden", som er et lovende træk for fremtidig biobrændstofproduktion.

En række andre mikrober producerer også LPMO'er, men forskere er kun begyndt at forstå, hvordan de virker. Efterhånden som man lærer mere om de forskellige LPMO'er i naturen, kan det blive muligt at transplantere dem til forskellige mikrober og skabe fabrikker til genbrug af plastik og andre moderne forbindelser, der ikke nedbrydes godt i miljøet.

"I naturen hjælper LPMO'er svampe med at nedbryde bladaffald i den sure, næringsfattige jord i skovene," sagde Guss. "Vi ønsker at udnytte kraften i disse enzymer til industrielle processer ved hjælp af mikrober, der fungerer bedst ved højere pH-niveauer og højere temperaturer. Derefter kan vi tænke på genbrug i stor skala, hvor vi dyrker eller konstruerer bakterier med de rigtige LPMO'er, fodrer dem organisk affald og få nyttige og værdifulde produkter - såsom bæredygtige brændstoffer eller bioplastik - ud i den anden ende."