Voksormspyt indeholder enzymer, der er i stand til at nedbryde plastik

Et hold af CSIC-forskere har opdaget, at voksormspyt nedbryder plastik; en opdagelse med talrige anvendelser til behandling eller genanvendelse af plastaffald. Tilbage i 2017 opdagede holdet, at denne ormeart (lepidopteraen Galleria mellonella) er i stand til at nedbryde plastik (polyethylen), og nu har de opdaget, hvordan den gør dette:dens spyt indeholder enzymer (der hører til phenoloxidasefamilien) som hurtigt kan sætte gang i polyethylennedbrydning ved stuetemperatur. Disse enzymer er de første og eneste kendte enzymer, der er i stand til at nedbryde polyethylenplast uden at kræve forbehandling, ifølge Federica Bertocchini, en CSIC-forsker ved CIB-CSIC (Centre for Biologisk Forskning), der ledede undersøgelsen. Resultaterne af arbejdet, der afventer gennemgang, er blevet offentliggjort i fortryk i BioRxiv online arkiv.

"For at plast kan nedbrydes, skal oxygen trænge ind i polymeren (plastikmolekylet). Dette er det første trin i oxidation, som normalt er et resultat af udsættelse for sollys eller høje temperaturer, og repræsenterer en flaskehals, der bremser nedbrydningen af ​​plastik som f.eks. polyethylen, en af ​​de mest modstandsdygtige polymerer," forklarer Bertocchini. "Det er grunden til, at plastik under normale miljøforhold tager måneder eller endda år at nedbryde," tilføjer hun.

"Nu har vi fundet ud af, at enzymer i voksormens spyt udfører dette afgørende trin:de oxiderer plastikken. Det betyder, at de kan overvinde flaskehalsen i plastiknedbrydningsprocessen og fremskynde dens nedbrydning," tilføjer hun.

Polyethylen er en af ​​de hårdeste og mest udbredte plasttyper. Sammen med polypropylen og polystyren udgør det 70 % af den samlede plastproduktion. Plastforurening udgør en trussel mod klodens sundhed og miljø, så det haster med at finde løsninger til at tackle plastikaffaldsproblemet. Et af de mest lovende forskningsområder med det største potentiale er den biologiske nedbrydning af plast. Denne proces er kendt som bionedbrydning og er forbundet med mikroorganismer som bakterier og svampe. Til dato er det dog kun en håndfuld mikroorganismer, der er kendt for at nedbryde de seje plastikpolymerer, der danner polyethylen. Hvad mere er, er der i de fleste tilfælde brug for en aggressiv forbehandling for at garantere oxidation og dermed gøre det muligt for mikroorganismerne at udøve en vis effekt (omend langsom) på plastikken.

Plastædende orme

For nogle år siden åbnede et nyt forskningsfelt sig med opdagelsen af, at nogle insektarter af Lepidoptera- og Coleoptera-ordenerne er i stand til at nedbryde polyethylen og polystyren. "I vores laboratorium opdagede vi det insekt, der ser ud til at være det hurtigste af alle:larverne af lepidoptera Galleria mellonella, almindeligvis kendt som voksormen," siger Bertocchini. "Disse larver er i stand til at oxidere og nedbryde polymererne i plastikken virkelig hurtigt" (efter blot en times eksponering).

"I de senere år er der blevet gjort en indsats for at finde ud af, hvordan disse insekter formår at gøre dette. Talrige undersøgelser har fokuseret på de mikroorganismer, der lever i disse ormes fordøjelsessystem, baseret på den antagelse, at ormene kan bruge plastik som føde, og at det nedbrydning ville være resultatet af deres metaboliske aktivitet og fordøjelsesprocesser," bemærker forskeren. "Men denne antagelse er yderst tvivlsom, så fra starten har vores forskning fokuseret på ormens mundhule," forklarer hun.

"Vi har undersøgt voksormens adfærd, når den kommer i kontakt med polyethylen og fundet ud af, at enzymerne i ormens spyt (dvs. væsken inde i insektets mund) kan nedbryde polyethylen," fortæller Bertocchini. "Når polymeren kommer i kontakt med spyt, oxiderer og depolymeriserer den inden for et par timer. Vi har identificeret nedbrudte rester, der dannes i nærvær af ormens spyt," siger hun.

Desuden har forskerne analyseret spyttet ved hjælp af elektronmikroskopi og observeret et højt proteinindhold. "Vi har isoleret to enzymer fra spyttet, som kan reproducere den oxidation, der produceres af spyttet som helhed," forklarer forskeren. Disse to proteiner, kaldet Demetra og Ceres, tilhører familien af ​​phenoloxidase-enzymer.

"Vi fandt ud af, at Demetra-enzymet havde en signifikant effekt på polyethylen og efterlod mærker (små kratere) på plastens overflade, synlige for det blotte øje; denne effekt blev også bekræftet af forekomsten af ​​nedbrydningsprodukter dannet efter eksponering af polyethylenet til dette enzym. Ceres-enzymet oxiderer også polymeren, men efterlader ikke synlige mærker, hvilket tyder på, at de to enzymer har forskellig effekt på polyethylen," opsummerer hun.

Sådan virker phenoloxidaseenzymer

Fenoler er molekyler, der bruges af planter til at forsvare sig mod potentielle fjender, såsom insektlarver. Derfor kunne insekter producere phenoloxidase-enzymer som en måde at oxidere plantephenoler og dermed neutralisere dem, hvilket betyder, at de kunne fodre sikkert på planterne. Fenoler er også til stede i mange plastadditiver, hvilket kan gøre dem til mål for disse enzymer og skabe de nødvendige betingelser for oxidation og depolymerisering af plasten. "Indtil videre er dette kun spekulation, og yderligere eksperimenter vil være nødvendige for at undersøge enzymets virkningsmekanismer i dybden," advarer forskere.

Et endnu mere interessant spørgsmål er, hvordan voksorme har erhvervet denne evne. Forskere spekulerer i, at det kan skyldes en evolutionær proces. Voksorme lever af bivoks og pollen fra en bred vifte af plantearter. I betragtning af at hivevoks er fuld af phenoler, ville denne type enzym være meget nyttig for disse insekter. Indirekte ville dette forklare, hvorfor voksorme kan nedbryde polyethylen. Men indtil videre er denne teori kun spekulation, og vi skal udføre mere forskning, der kombinerer insektbiologi med bioteknologi. + Udforsk yderligere

Ny enzymopdagelse er endnu et spring mod plastikaffald