Forskere karakteriserer molekylær sakse til plastaffald

Et forskerhold fra University of Greifswald og Helmholtz-Zentrum-Berlin (HZB) har løst molekylstrukturen af ​​enzymet MHETase på BESSY II. MHETase blev opdaget i bakterier, og sammen med et andet enzym, PETase, er i stand til at nedbryde det meget brugte plast PET i dets grundlæggende byggesten. Denne 3D-struktur tillod allerede forskerne at producere en MHETase-variant med optimeret aktivitet for at bruge den, sammen med PETase, for en bæredygtig genanvendelse af PET.

Plast er ekstremt alsidigt og næsten evigt holdbart. Men det er også et problem, fordi efter kun omkring 100 års produktion af plastik, plastikpartikler findes nu overalt - i grundvandet, i havene, i luften, og i fødekæden. Omkring 50 millioner tons af den industrielt vigtige polymer PET produceres hvert år. Blot en lillebitte brøkdel af plastik genanvendes i øjeblikket via dyre og energikrævende processer, der enten giver nedgraderede produkter eller igen er afhængige af tilsætning af 'frisk' råolie.

I 2016 en gruppe japanske forskere opdagede en bakterie, der vokser på PET og lever delvist af det. De fandt ud af, at bakterien besidder to specielle enzymer, PETase og MHETase, der fordøjer PET-plastpolymerer. PETase nedbryder plasten til mindre PET -byggesten, primært MHET, og MHETase opdeler dette i de to grundlæggende forløberbyggesten til PET, terephthalsyre og ethylenglycol. Begge komponenter er værdifulde til at syntetisere nyt PET uden tilsætning af råolie for en lukket bæredygtig produktions- og genvindingscyklus.

I april 2018, strukturen af ​​PETase blev endelig løst uafhængigt af flere forskergrupper. Diamantlyskilden var også involveret i eksperimenterne. Imidlertid, PETase er kun en del af løsningen. Det er lige så vigtigt at karakterisere strukturen af ​​det andet enzym, MHETase.

"MHETase er betydeligt større end PETase og endnu mere kompleks. Et enkelt MHETase-molekyle består af 600 aminosyrer, eller omkring 4000 atomer. MHETase har en overflade, der er omkring dobbelt så stor som overfladen af ​​PETase og har derfor et betydeligt større potentiale for optimering mod nedbrydning af PET, " forklarer biokemiker og strukturbiolog Dr. Gert Weber fra Helmholtz-Zentrum Berlin og Freie Universität Berlin.

Under et midlertidigt professorat ved universitetet i Greifswald, Weber kontaktede bioteknologen Prof. Uwe Bornscheuer ved Institut for Biokemi, som allerede var involveret i plastiknedbrydende enzymer. Sammen, de udviklede ideen om at løse strukturen af ​​MHETase og derefter bruge denne indsigt til at optimere enzymet til anvendelser i PET-genbrug. At gøre dette, de skulle først udvinde enzymet fra bakterieceller og rense det. Inden for dette samarbejde det lykkedes holdene at opnå den komplekse tredimensionelle arkitektur af MHETase på BESSY II, synkrotronkilden hos HZB i Berlin.

"For at se, hvordan MHETase binder til PET og nedbryder det, du har brug for et fragment af plastik, der binder til MHETase, men ikke spaltes af det, " forklarer Weber. Medlem af Webers tidligere forskerhold i Greifswald, Dr. Gottfried Palm, skære en PET-flaske op, kemisk dekomponerede PET-polymeren og syntetiserede et lille kemisk fragment fra den, der binder til MHETase, men som ikke længere kan spaltes af den. Fra denne 'blokerede' MHETase, små krystaller blev dyrket til strukturelle undersøgelser på HZB. "De strukturelle undersøgelser gjorde det muligt for os at se MHETase nærmest 'på arbejde' og udvikle strategier for, hvordan man optimerer dette enzym, " forklarer Weber.

"Takket være det fælles forskningsgruppeformat, we have the means to offer beamtime access on the highly demanded BESSY II MX beamlines for measurements very quickly at any time, " says Dr. Manfred Weiss, who is responsible for the BESSY II MX beamlines. The three-dimensional architecture of MHETase actually displays some special features:enzymes such as MHETase bind to their target molecule first before a chemical reaction occurs. For breakdown of a molecule you need a tailor-made enzyme:"We can now exactly localise where the MHET molecule docks to MHETase and how MHET is then split into its two building blocks terephthalic acid and ethylene glycol, " says Weber.

Imidlertid, neither PETase nor MHETase are particularly efficient. "Plastics have only been around on this scale for a few decades—even bacteria with their rapid successions of generations and rapid adaptability have not managed to develop a perfect solution through the evolutionary process of trial and error over such a short time, " explains Weber. "Thanks to the clarification of the structure of this very important enzyme, we have now also been able to plan, produce and biochemically characterise variants that show significantly higher activity than natural MHETase and are even active against another intermediate product of PET degradation, BHET, " adds Uwe Bornscheuer.

I fremtiden, Uwe Bornscheuer will work on systematically optimising the enzymes PETase and MHETase for their task—the decomposition of PET. Gert Weber plans to supplement these studies with further work on biological structures in order to systematically develop plastic-digesting enzymes for environmental applications. Access to the measuring stations and the IT infrastructure of HZB is indispensable for this.

Producing these kinds of enzymes in closed biotechnological cycles, for eksempel, could be a way to really break down PET plastics and other polymers into their basic building blocks. This would also be the key to ideal recycling and a long-term solution to the plastic waste problem:production of plastic would be a closed cycle and no longer dependent on crude oil.

Undersøgelsen er publiceret i Naturkommunikation .