Onderzoekers hebben een enzym geïdentificeerd en ontwikkeld dat een aantal van onze meest vervuilende kunststoffen kan verteren en consumeren, wat hoop biedt op recycling en het bestrijden van vervuiling
vervuilend kunststoffen is de grootste milieu-uitdaging wereldwijd in de vorm van plastic vervuiling en een optimale oplossing voor dit probleem blijft nog steeds ongrijpbaar. De meeste kunststoffen worden gemaakt van aardolie of aardgas, dit zijn niet-hernieuwbare bronnen die worden gewonnen en verwerkt met behulp van energie-intensieve technieken. Hun productie en productie zelf is dus zeer destructief voor kwetsbare ecosystemen. De vernietiging van plastic (meestal door verbranding) veroorzaakt lucht-, water- en landvervuiling. Ongeveer 79 procent van het plastic dat de afgelopen 70 jaar is geproduceerd, is weggegooid, hetzij op stortplaatsen of in het milieu, terwijl slechts ongeveer negen procent wordt gerecycled en de rest wordt verbrand. Dit verbrandingsproces stelt kwetsbare werknemers bloot aan giftige chemicaliën, waaronder kankerverwekkende stoffen. Er wordt gezegd dat de oceanen zo'n 51 biljoen microplasticdeeltjes bevatten en het zeeleven langzaam uitputten. Sommige plastic microdeeltjes worden weggeblazen in de lucht, wat leidt tot vervuiling en het is een reële mogelijkheid dat we ze inademen. Niemand had in de jaren zestig kunnen voorspellen dat de komst en populariteit van plastic op een dag een last zou worden met enorm plastic afval dat in onze prachtige oceanen en in de lucht zou drijven en op onze kostbare gronden zou worden gedumpt.
Plastic verpakkingen zijn de grootste bedreiging en het meest corrupte gebruik van plastic. Maar het probleem is dat plastic zakken overal zijn, voor elk klein doel worden gebruikt en dat er geen controle is over het gebruik ervan. Dit soort synthetisch plastic is niet biologisch afbreekbaar, maar zit en hoopt zich op op stortplaatsen en draagt bij aan milieuvervuiling. Er zijn initiatieven geweest voor een 'volledig plastic verbod', met name polystyreen dat in verpakkingen wordt gebruikt. Dit leidt echter niet tot de gewenste resultaten, aangezien plastic nog steeds alomtegenwoordig is in land, lucht en water en steeds groter wordt. Het is veilig om te zeggen dat plastic misschien niet eens altijd zichtbaar is voor het blote oog, maar het is overal! Het is jammer dat we het recycling- en verwijderingsprobleem van het plastic materiaal niet kunnen aanpakken.
In een studie gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences USA, hebben onderzoekers een bekend natuurlijk enzym die zich voedt met plastic. Dit was een toevallige ontdekking terwijl ze de structuur van een enzym aan het onderzoeken waren dat in een centrum in Japan werd gevonden in afval dat klaar was om te worden gerecycled. Dit enzym, Ideonella sakaiensis 201-F6 genaamd, is in staat om gepatenteerd plastic PET of polyethyleentereftalaat te "eten" of "voeden", dat het meest wordt gebruikt in miljoenen tonnen plastic flessen. Het enzym zorgde er in feite voor dat de bacterie het plastic als voedselbron kon afbreken. Er bestaan momenteel geen recyclingoplossingen voor PET en plastic flessen gemaakt van PET blijven al meer dan honderden jaren in het milieu. Deze studie onder leiding van teams van de Universiteit van Portsmouth en het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse Department of Energy heeft enorme hoop gewekt.
Het oorspronkelijke doel was om de driedimensionale kristalstructuur van dit natuurlijke enzym (PETase genaamd) te bepalen en deze informatie te gebruiken om te begrijpen hoe dit enzym precies werkt. Ze gebruikten een intense bundel röntgenstralen - die 10 miljard keer helderder is dan de zon - om de structuur op te helderen en individuele atomen te zien. Zulke krachtige stralen maakten het mogelijk om de innerlijke werking van het enzym te begrijpen en leverden de juiste blauwdrukken op om snellere en efficiëntere enzymen te kunnen ontwikkelen. Er werd onthuld dat PETase erg lijkt op een ander enzym genaamd cutinase, behalve dat PETase een speciaal kenmerk heeft en een meer "open" actieve plaats, waarvan wordt gedacht dat het plaats biedt aan door de mens gemaakte polymeren (in plaats van de natuurlijke). Deze verschillen gaven onmiddellijk aan dat PETase meer ontwikkeld kan zijn, vooral in een PET-bevattende omgeving en dus PET zou kunnen afbreken. Ze muteerden de actieve site van PETase om het meer op cutinase te laten lijken. Wat volgde was een totaal onverwachte uitkomst, de PETase-mutant was in staat PET nog beter af te breken dan de natuurlijke PETase. Dus, in het proces van het begrijpen en proberen te verbeteren van het vermogen van het natuurlijke enzym, kwamen onderzoekers er per ongeluk toe een nieuw enzym te ontwikkelen dat zelfs beter was dan het natuurlijke enzym bij het afbreken van PET kunststoffen. Dit enzym kan ook polyethyleen furandicarboxylaat afbreken, of PEF, een biobased alternatief voor PET-plastics. Dit wekte de hoop om andere substraten zoals PEF (polyethyleenfuranoaat) of zelfs PBS (polybutyleensuccinaat) aan te pakken. De tools voor enzymengineering en -evolutie kunnen continu worden toegepast voor verdere verbetering. Onderzoekers zijn op zoek naar een manier om het enzym te verbeteren, zodat zijn functie kan worden opgenomen in een krachtige grootschalige industriële opstelling. Het engineeringproces lijkt sterk op enzymen die momenteel worden gebruikt in biologische wasmiddelen of bij de productie van biobrandstoffen. De technologie bestaat en dus zou industriële levensvatbaarheid in de komende jaren haalbaar moeten zijn.
Verder onderzoek is nodig om een aantal aspecten van dit onderzoek te begrijpen. Ten eerste breekt het enzym grotere stukken plastic af in kleinere stukken, daarom ondersteunt het de recycling van plastic flessen, maar al dit plastic moet eerst worden teruggewonnen. Dit "kleinere" plastic kan, wanneer het wordt teruggewonnen, worden gebruikt om ze weer in plastic flessen te veranderen. Het enzym kan niet echt "zelf plastic gaan zoeken" in de omgeving. Een voorgestelde optie zou kunnen zijn om dit enzym in sommige bacteriën te planten die plastic in een hoger tempo kunnen afbreken terwijl ze bestand zijn tegen hoge temperaturen. Ook moet de langetermijnimpact van dit enzym nog worden begrepen.
De impact van zo'n innovatieve oplossing om plastic afval aan te pakken zou wereldwijd erg groot zijn. Al sinds de komst van plastic zelf proberen we het plasticprobleem aan te pakken. Er zijn wetten die het gebruik van eenmalig plastic verbieden en ook gerecycled plastic geniet nu overal de voorkeur. Zelfs kleine stappen, zoals het verbieden van plastic draagtassen in supermarkten, zijn overal in de media geweest. Het punt is dat we snel moeten handelen als we onze planeet willen beschermen tegen plasticvervuiling. Hoewel we recycling in ons dagelijks leven moeten blijven toepassen en onze kinderen moeten aanmoedigen dit ook te doen. We hebben nog steeds een goede langetermijnoplossing nodig die hand in hand kan gaan met onze eigen individuele inspanningen. Dit onderzoek markeert een begin voor het aanpakken van een van de grootste problemen waarmee onze planeet wordt geconfronteerd.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
Harry P et al. 2018. Karakterisering en engineering van een plastic afbrekende aromatische polyesterase. Proceedings van de National Academy of Sciences. https://doi.org/10.1073/pnas.1718804115
