Forbedring af naturværktøjer til fordøjelse af plast

Enzymer, der findes i naturen, kan nedbryde visse former for plast, men ikke godt nok til at støtte industriel genanvendelse og dæmme op for plastaffaldet. Bygger på, hvad naturen har givet, forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute har forbedret effektiviteten af ​​en blad- og grenkompost cutinase, der nedbryder polyethylenterephthalat (PET), plasten, der bruges i klare og farvede plastvandflasker og mange andre produkter. Forskere mener, at enzymet kan forbedres yderligere, tilbyde en lovende kandidat til at brænde ubegrænset genbrug af PET og muligvis anden plast, såsom celluloseacetat.

I arbejde, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Biokemi , forskerne brugte gærceller til at udtrykke blad- og grenkompost cutinase (LCC) modificeret ved tilsætning af sukkermolekyler - eller glycaner - to steder. Det "glykosylerede" modificerede enzym bevarede mindst halvdelen af ​​sin aktivitet efter 48 timer ved 75 grader Celsius, mod en tidligere rapporteret halveringstid på 40 minutter for det umodificerede enzym ved 70 grader Celsius.

"Vi har brug for plast og andre materialer, der bevarer god ydeevne og, efter brug, kan derefter nedbrydes ved sikre og milde processer til deres originale byggesten til genbrug, "sagde Richard Gross, hovedforfatter af forskningen, Konstellationsprofessor i biokatalyse og metabolisk teknik, medlem af Center for Bioteknologi og Tværfaglige Studier, og professor i kemi og kemisk biologi ved Rensselaer. "Målet skal være nul spild og at gøre det, vi skal bygge genbrug ind i designet af en lang række polymerer og materialer. Dette er et opmuntrende skridt mod det mål. "

"Dette lovende fremskridt, som er hårdt nødvendig, da plastikforurening bliver en stadig større trussel mod vores miljø, er et resultat af det mangfoldige færdighedssæt og det samarbejdsmiljø, vi har bygget på Rensselaer, "sagde Deepak Vashishth, direktør for Center for Bioteknologi og Tværfaglige Studier. "Dr. Gross 'forskning spænder over grænser mellem biologik og bioproduktion, og vil helt sikkert hjælpe os med at løse de kritiske problemer, vi står over for. "

Med eksisterende teknologier, en plastflaske genanvendes ikke så meget som ned-cyklet. Efter en enkelt brug, en høj procentdel af PET -flasker går direkte til lossepladser eller genbruges som anden plast, såsom PET -fibre og fleece til tøj, tæppe, tasker, møbel, og emballage. Til sidst, ned-cyklet PET gør sin vej til lossepladser eller andre uønskede miljøer som oceaner og søer, en skæbne mange forbrugere er uvidende om, da de smider deres vandflasker i en genbrugsbeholder.

At bryde PET ned i dets byggesten - terephthalsyre og ethylenglycol - ville muliggøre ubegrænset genbrug mere almindeligt forbundet med andre genanvendelige materialer som glas og metal. Nogle naturligt forekommende enzymer kan nedbryde PET, men ikke inden for de tids- og temperaturbegrænsninger, der kræves af en industriel genbrugsproces. Mange enzymer mister deres aktivitet ved højere temperaturer, og til sidst denaturering. Et enzym, der er egnet til industriel genanvendelse, skal kunne fungere ved optimal temperatur til nedbrydning af PET, som er omkring 75 grader Celsius, og den skal beholde sin aktivitet længe nok til at udføre sit arbejde omkostningseffektivt ved den temperatur.

LCC blev oprindeligt opdaget ved metagenomisk analyse af en bladgrenkompost, hvilket betyder, at forskere ekstraherede DNA fundet i en kompost uanset de organismer, der producerede det, og brugte derefter DNA'et til at udtrykke og katalogisere enzymer, der var til stede. En undersøgelse fra 2012 offentliggjort af ikke -beslægtede forskere i tidsskriftet Anvendt og miljømikrobiologi viste, at LCC var i stand til at hydrolysere, eller bryde sammen, KÆLEDYR, men mistede aktivitet hurtigt ved højere temperaturer. Det vakte opmærksomhed hos Gross, en ekspert i biokatalytiske og kemiske syntetiske metoder, der så muligheden for at forbedre enzymets "kinetiske stabilitet" uden at skade dets evne til at nedbryde PET.

Laboratoriet undersøgte enzymet og fandt tre separate glycosyleringssteder, aminosyresekvenser, hvortil glycaner er bundet under proteinsyntese. Gross sagde, at glycosyleringsstederne kunne have udviklet sig i en tidligere organisme og været bevaret, selvom de ikke blev brugt af den naturlige bakterie, der oprindeligt producerede dette protein. Uanset, da teamet udtrykte enzymet ved hjælp af gærstammen Pichia pastoris, de fandt ud af, at gæren naturligt glycosylerede enzymet på de tre steder. Yderligere forskning viste, at to glycosyleringssteder gav et mere effektivt enzym end tre steder.

Med kun de mindre ændringer, teamet oplevede en forbedring i kinetisk stabilitet mere end 60 gange. Og Gross sagde, at yderligere forskning vil undersøge, hvordan man kan forbedre kinetikken og enzymets samlede aktivitet ved at eksperimentere med aminosyresekvenser for at skabe variantstrukturer. Gennem dette arbejde, Gross forventer at forstå de designregler, der fører til bedre ydeevne.

"Denne cutinase er en fremragende kandidat til kommercialisering, men dette arbejde vil også hjælpe os med at redesigne andre cutinaser for at nedbryde andre polymerer, og det er et meget større slutspil, "sagde Gross.

"Stabilisering af blad- og grenkompostkutinase (LCC) med glycosylering:mekanisme og effekt på PET -hydrolyse" blev offentliggjort i Biokemi .