Lebende Kunststoffe: Eine neue Lösung für den Kunststoffabbau durch synthetische Biologie
Studie liefert neuartige Methode zur Herstellung von grünen Kunststoffen
Die Forschungsgruppe von Dr. DAI Zhuojun am Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) veröffentlichte in Nature Chemical Biology eine Studie mit dem Titel "Degradable Living Plastics Programmed by Engineered Spores" . Die Studie macht sich die natürliche Widerstandsfähigkeit von Sporen zunutze, die extremen Umweltbedingungen standhalten können, indem sie so programmiert werden, dass sie unter bestimmten Umständen kunststoffabbauende Enzyme absondern. Diese Sporen werden durch Standard-Kunststoffverarbeitungsmethoden, wie hohe Temperaturen, hoher Druck oder die Verwendung organischer Lösungsmittel, in Kunststoffmatrizen eingebettet. Unter normalen Bedingungen bleiben die Sporen inaktiv und sorgen für eine stabile Leistung des Kunststoffs. Wenn sie jedoch bestimmten Auslösern wie Oberflächenerosion oder Kompostierung ausgesetzt werden, werden die Sporen aktiviert und leiten den Abbauprozess ein, der zum vollständigen Abbau des Kunststoffs führt.
Kunststoffe sind weit verbreitet, aber schwer abbaubar, was eine ökologische Herausforderung darstellt. Ein Team des SIAT hat mithilfe von synthetischer Biologie und Polymertechnik abbaubare "lebende Kunststoffe" entwickelt. Sie veränderten die Sporen von Bacillus subtilis so, dass sie Burkholderia cepacia-Lipase (BC-Lipase) produzieren, ein Enzym, das Kunststoffe abbaut. Diese Sporen wurden mit Poly(caprolacton) (PCL) gemischt, um den Kunststoff herzustellen, wobei die physikalischen Eigenschaften des Materials erhalten blieben. Wenn die Kunststoffoberfläche abgetragen wird, setzen die Sporen das Enzym frei, was zu einer fast vollständigen Zersetzung des Kunststoffs führt.
DAI Zhuojun
Hintergrund der Forschung
Die Erfindung von Kunststoffen hat unser tägliches Leben verbessert, aber die massive Produktion und unsachgemäße Entsorgung von Kunststoffabfällen haben die Kunststoffverschmutzung zu einem großen Umweltproblem gemacht. Im Jahr 2016 entdeckten Yoshida et al. ein Bakterium, Ideonella sakaiensis, in mit Poly(ethylenterephthalat) (PET) kontaminiertem Boden in der Nähe einer Recyclinganlage in Japan. Dieses Bakterium kann mit PET als Hauptkohlenstoffquelle wachsen, indem es zwei Schlüsselenzyme produziert: PETase und MHETase. Seitdem haben sich zahlreiche Forschungsarbeiten im Bereich der synthetischen Biologie auf die Entdeckung, Entwicklung und Weiterentwicklung der entsprechenden kunststoffabbauenden Enzyme konzentriert, während innovative Methoden zur Herstellung abbaubarer Kunststoffe kaum erforscht wurden.
Ruhende Sporen und lebende Kunststoffe
Mikroorganismen haben im Laufe von Milliarden von Jahren eigene Mechanismen entwickelt, um sich gegen raue Bedingungen zu schützen. Ein klassisches Beispiel ist die Bildung von Sporen, die gegen Trockenheit, hohe Temperaturen und hohen Druck resistent sind (ähnliche Bedingungen bei der Kunststoffverarbeitung). Mithilfe der synthetischen Biologie hat das Forscherteam Bacillus subtilis mit einem genetischen Schaltkreis ausgestattet, der die Sekretion eines kunststoffabbauenden Enzyms (Lipase BC aus Burkholderia cepacia) steuert. Unter dem Stress von Schwermetallionen bildet Bacillus subtilis Sporen. Das Team mischte diese manipulierten Sporen mit Poly(caprolacton)-Kunststoffgranulat (PCL) und stellte durch Hochtemperaturextrusion oder Lösungsmittelauflösung sporenhaltige Kunststoffe her. Tests zeigten, dass diese "lebenden Kunststoffe" ähnliche physikalische Eigenschaften wie normale PCL-Kunststoffe hatten. Während des täglichen Gebrauchs bleiben die Sporen inaktiv, was eine stabile Leistung des Kunststoffs gewährleistet.
Freisetzung der Sporen und Beginn der Zersetzung
Der erste wichtige Schritt beim Kunststoffabbau ist die Freisetzung der in den lebenden Kunststoff eingebetteten Sporen zur Wiederbelebung der Zellen. Die Forscher haben zunächst zwei Methoden der Sporenfreisetzung demonstriert. Bei einer Methode wird ein Enzym (Lipase CA) verwendet, um die Kunststoffoberfläche abzutragen. Diese freigesetzten Sporen keimten dann und exprimierten die Lipase BC, die sich an die Enden der PCL-Polymerketten bindet und die PCL-Moleküle nahezu vollständig abbaut (Endmolekulargewicht <500 g/mol). Die Ergebnisse zeigten, dass der lebende Kunststoff innerhalb von 6-7 Tagen effizient abgebaut werden konnte, während gewöhnlicher PCL-Kunststoff, der nur an der Oberfläche beschädigt wurde (Lipase CA), nach 21 Tagen immer noch eine große Menge an Kunststoffresten aufwies.
Eine weitere Methode zur Freisetzung von Sporen ist die Kompostierung. Ohne zusätzliche äußere Einflüsse konnten lebende Kunststoffe im Boden innerhalb von 25-30 Tagen vollständig abgebaut werden, während herkömmlicher PCL-Kunststoff etwa 55 Tage benötigte, um bis zu einem mit bloßem Auge nicht mehr erkennbaren Grad abgebaut zu werden.
Jenseits von PCL-Kunststoffen
Wie bereits erwähnt, sind die Verarbeitungsbedingungen von PCL im Vergleich zu anderen Kunststoffen relativ "mild". Um die allgemeine Anwendbarkeit des Systems zu prüfen, testete das Team auch andere kommerzielle Kunststoffsysteme. Sie mischten Sporen, die GFP-Expressionsplasmide trugen, mit PBS (Polybutylensuccinat), PBAT (Polybutylenadipat-Co-Terephthalat), PLA (Polymilchsäure), PHA (Polyhydroxyalkanoate) und sogar PET (Poly(ethylenterephthalat)) und verarbeiteten die Mischung bei Temperaturen von bis zu 300°C. Indem sie die Sporen durch physikalisches Zerkleinern freisetzten, stellten sie überraschenderweise fest, dass die Sporen immer noch zum Leben erwachen und das GFP exprimieren konnten. Diese Ergebnisse haben eine solide Grundlage für die Ausweitung der Methode auf andere Kunststoffarten geschaffen.
Um das Potenzial für eine Erweiterung des Systems zu prüfen, führte das Forschungsteam auch einen kleinmaßstäblichen industriellen Test mit einem PCL-System unter Verwendung eines Einschneckenextruders durch. Das erzeugte lebende PCL zeigte weiterhin eine schnelle und effiziente Abbaubarkeit (Abbau innerhalb von 7 Tagen). In Abwesenheit äußerer Faktoren behielt das lebende PCL seine stabile Form bei, was seine Robustheit während des Einsatzes beweist (zwei Monate lang stabil in Sprite). Diese Studie bietet eine neuartige Methode zur Herstellung grüner Kunststoffe, die stabil funktionieren, wenn die Sporen latent sind, und sich zersetzen, wenn die Sporen erweckt werden, und wirft ein Licht auf die Entwicklung von Materialien für Nachhaltigkeit.
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