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Wissenschaftler machen Fortschritte mit besser plastikfressenden Bakterien

2020

Der Molekularbiologe Christopher Johnson hat vor kurzem auf einer Party mit einem anderen Gast über seine Forschungen gesprochen, wie es Wissenschaftler oft tun. Johnson arbeitet daran, Kunststoffe zu zersetzen, die gegen solche Dinge in der Regel sehr widerstandsfähig sind.

Die Frau, mit der er vor der Hochzeit sprach, antwortete, dass sie sich über die ganze Situation überwältigt - hoffnungslos - fühlte: Wie wir nicht aufhören können, Plastik zu verwenden, wie sie Mülldeponien überfüllen, wie ihre Mikropartikel die Ozeane durchdringen.

Überwältigt dachte Johnson. Hoffnungslos .

"Ich bin eine Welt weg von dieser Perspektive", sagt Johnson und erinnert sich an seine Reaktion.

Das liegt daran, dass Kunststoffe nicht nur Johnson passieren. Er passiert mit ihnen. Johnson ist ein Wissenschaftler am National Renewable Energy Laboratory. Im vergangenen Jahr haben er und seine Kollegen ein biologisches Enzym entwickelt, das durch wegwerfbare Kunststoffe wie Wasserflaschen und Seifenbehälter effizient kauen kann. Das Team ist optimistisch, dass es eine Welt erschaffen kann, in der Menschen dieses übermäßige Material weiterhin verwenden - ohne buchstäblich oder im übertragenen Sinne davon überfordert zu sein. In dieser Welt werden Mikroorganismen als Teil eines breiteren, robusten Recyclingsystems Polymere in ihre chemischen Bestandteile aufschließen, damit sie als neue und bessere Produkte Gewinne erzielen können.

Derzeit wird aus Plastik beim Recycling chemisch gesehen nichts: Es zerkleinert den Abfall nur in kleinere Stücke, wie z. B. das Zerkleinern von Papier in Streifen. Die Hersteller setzen diese Teile dann zu minderwertigem Kunststoff um. Beim biobasierten Recycling, wie es die Fachleute nennen, geben kunststofffressende Organismen die Bausteine ​​zurück, um neue Materialien und letztendlich Waren herzustellen.

Insbesondere Johnsons Gruppe erregte die Fantasie der Öffentlichkeit, weil ihre Entdeckung zufällig war und zu einer großartigen Geschichte führte. Skeptiker befürchteten, dass die Bemühungen nach hinten losgehen könnten - dass die falschen Polymere von den falschen GVO-Hackern gefressen werden könnten. Wie das Armaturenbrett Ihres Autos. Wie du fährst. Es ist eine extrem abgelegene Möglichkeit, aber nicht völlig fehlgeleitet.

Schließlich ist all dieser Plastikmüll selbst eine unbeabsichtigte Folge. Das synthetische Material wurde teilweise als Ersatz für Elfenbein verwendet, um Elefanten vor dem Schlachten zu schützen. Diese Innovation hat uns aber auch dorthin gebracht, wo wir heute sind: überwältigt und hoffnungslos. Die Menge an Kunststoff, die Menschen jedes Jahr herstellen - mehr als 300 Millionen Tonnen - wiegt etwa das Fünffache der Gesamtmenge aller Menschen.

Wir verwenden die meisten unserer modernen Polymere nur einmal: in Wasserflaschen, Shampooflaschen, Milchflaschen, Chipsäcken, Einkaufstüten, Kaffeerührern. Jedes Jahr landen fast 9 Millionen Tonnen Müll vor der Küste. Sie haben wahrscheinlich von der Great Pacific Garbage Patch gehört: einem Gebiet in der nördlichen Hälfte des Ozeans, in dem wirbelnde Strömungen all diese Abfälle sammeln. Aber wussten Sie, dass die Hohe See bis 2050 mehr Plastik als Fisch zeigen könnte?

Die Zivilisation leistet keine großartige Arbeit, um nach sich selbst aufzuräumen, zum Teil glauben Johnson und sein Team, weil es nie einen großen wirtschaftlichen Anreiz dafür gegeben hat. Aber wenn Sie diese Plastikbausteine ​​nehmen und zu etwas Wertvollerem als dem Original zusammenbauen können, wie Autoteilen, Windkraftanlagen oder sogar Surfbrettern, können Sie die Recycling-Rechnung ändern. Unternehmen können Gutes für sich tun, indem sie Gutes für die Welt tun.

Ein Großteil des Teams für zufällige Enzyme arbeitet im National Renewable Energy Lab in Golden, Colorado. Der Campus stößt gegen die Ausläufer der Rocky Mountains, die sich schnell aus dem Nichts zu 14.000 Fuß hohen Gipfeln erheben. Sonnenkollektoren bedecken die Dächer fast aller Gebäude. Im Gebäude des Feldtestlabors, in dem die Gruppe arbeitet, verläuft ein ROYGBIV-Spektrum von Versorgungsrohren an Decken und Wänden. Labore voller Kühlschränke, Inkubatoren und Hochleistungsmikroskope summten hinter den Eingängen mit Kartenzugang. In einem kleinen Besprechungsraum im Erdgeschoss beleuchtet eine Matrix von Bildschirmen vier Wissenschaftler.

Zusammen mit Kollegen in Florida, England und Brasilien bilden sie eine Art Traumteam für diese spezielle biobasierte Recyclingforschung: Nicholas Rorrer kreiert Polymere. Gregg Beckham versucht herauszufinden, wie Bakterien- und Pilzchemikalien Verbindungen wie Cellulose, den Hauptbestandteil in Pflanzenzellwänden und viele Gemüsesorten, abbauen. Bryon Donohoe untersucht, wie Zellen mit polymerfressenden Enzymen funktionieren. Johnson entwickelt neue Arten von Zellen, die diese Enzyme ausscheiden. Diese Fachgebiete sind jeweils der Schlüssel, um herauszufinden, wie Bakterien Lust auf Plastik machen - und wie man sie dazu bringt, bessere Snacker zu werden.

Auf einem der Bildschirme dahinter läuft ein Enzym entlang einer Nahaufnahme von Zellulose, kaut einzelne Stränge ab und spuckt sie als Zuckerblöcke aus - das ultimative Erlebnis, wenn man durch die Gegend fährt. Diese Simulation, sagen die Wissenschaftler, ist die gleiche Art und Weise, wie ein Polymer seine Entsprechung findet.

Die Besatzung erfuhr erstmals von dem Konzept, als in der Ausgabe des Science Magazine vom März 2016 bekannt wurde, dass Forscher in Japan in Bodenproben in der Nähe einer Flaschenrecyclinganlage in der Stadt Sakai eine seltsame Bakterienart entdeckt hatten. Es könnte durch Polyethylenterephthalat, allgemein bekannt als PET, das die Hersteller in großem Umfang zur Herstellung von Kunststoffflaschen und -behältern verwenden, zerkleinern. Ein Team unter der Leitung von Kenji Miyamoto, einem Biowissenschaftler an der Keio-Universität, stellte fest, dass der Organismus ein Enzym herausspritzte, das als PETase bezeichnet wurde und das Polymer in chemische Stücke zerlegte. Sie nannten diesen erstaunlichen Organismus Ideonella sakaiensis nach seiner Heimatstadt. Trotzdem, Ideonella nicht zu dissen, aber es funktionierte nicht schnell genug: Angesichts von sechs Wochen und tropischen Temperaturen konnte es durch einen PET-Film fressen. Nicht gerade das Zeug von effizienten Recyclinganlagen. Außerdem war eine sorgfältige Pflege und Fütterung erforderlich, damit es wachsen kann.

Bald nach Erscheinen des Zeitschriftenartikels fand sich Beckham in England wieder und trank ein Bier mit John McGeehan von der Universität Portsmouth, einem Kollegen in der Zelluloseforschung und einem Experten für die Kartierung der Strukturen winziger Enzyme. Sie begannen sich Gedanken zu machen, wie man Kräfte bündelt, um besser zu verstehen, wie PETase PET verdaut. Schließlich haben sie bereits untersucht, wie die Natur die Natur abbaut - zum Beispiel, wie Bakterien und Pilze Enzyme verwenden, um Zellulose zu verdauen. Vielleicht könnte diese Arbeit ihnen helfen zu verstehen, wie das Natürliche das Synthetische abbaut.

Nach ihrem Brainstorming haben die beiden Johnson, Donohoe und Rorrer sowie einen weiteren Kollegen in Florida, Lee Woodcock, angeworben, dessen hochentwickelte Computermodelle die Funktionsweise von Zellchemikalien simulieren. Dann haben sie begonnen.

Zunächst musste das Team verstehen, wie PETase den von ihm ausgewählten Kunststoff zersetzt. Die Moleküle in einem Polymer sind wie verbundene Legosteine, die sich einfach auseinander ziehen lassen. Für PET ist PETase der Puller. Um zu verstehen, wie PETase die Moleküle des Kunststoffs erfassen und festigen konnte, benötigte das Team genügend Enzym, um es abbilden zu können.

Hier kam Johnsons zelluläres Know-how ins Spiel. In Zusammenarbeit mit einem externen Unternehmen synthetisierten sie das Gen, das PETase produziert, damit es später in E. coli, einen einzelligen Organismus, eingeschleust werden kann, der sich schnell und einfach in einem Labor anbauen lässt. Er schickte den genetischen Code über den Teich zu McGeehans Labor. Dort hatte der mutierte Lebensmittelvergifter etwas Mehl und begann, PETase abzupumpen.

McGeehan schleppte das PETase-Enzym zu einer Einrichtung mit einem superstarken Röntgenmikroskop, das Licht verwendet, das 10 Milliarden Mal stärker ist als die Sonne, um Proben zu untersuchen und Bilder im atomaren Maßstab zu erstellen. Im Inneren des exotischen Mikroskops leiteten unterkühlte Magnete die Röntgenstrahlen, bis die Wissenschaftler PETase selbst sehen konnten - und nicht nur die Go-Making-Effekte.

Für das ungeübte Auge ähnelt das Enzym dem Liebeskind eines Meeresschwamms und eines menschlichen Gehirns. Oder, wenn Sie ein sehr glücklicher Biologe sind, sieht es fast genauso aus wie Cutinase, der Puller für Cutin, ein wachsartiges Polymer, das viele Pflanzen beschichtet. Cutinase hat eine schmale U-förmige Vertiefung, die genau so in das Cutin eingreift. PETase hat das gleiche U, nur breiter, wie eine Cutinase in einem Fun-House-Spiegel. Die PETase U wird wie die beiden Seiten einer BFF-Halskette in PET eingekerbt.

Dies ist ein Kinderspiel Beckhams Gedanke zu der Zeit: Das Enzym, so argumentierte er, entwickelte sich ursprünglich zum Essen von Cutin und hatte sich offensichtlich in Gegenwart von so viel Müll angepasst, um ein neues Lieblingsessen zu haben.

Die Form, Funktion und evolutionäre Idee, die das Team in der Hand hatte, reichten ihr Papier zur Veröffentlichung im Oktober 2017 ein. Die Entstehungsgeschichte - ihr geliebter Teil - war jedoch problematisch. "Einer unserer Rezensenten sagte:" Nein, das muss man zeigen ", erinnert sich Beckham.

Dies wird eine beschissene Aktivität sein, die er sich vorgestellt hat. Es schien so offensichtlich, dass Cutinase seinen Weg in PETase gefunden hatte. Aber um zu zeigen, wie das passiert war, mussten sie die Evolutionsuhr zurückdrehen und das breite PETase U auf ein kleines Cutinase U verkleinern. Dabei dachten sie, dass es nicht in der Lage oder zumindest weniger in der Lage ist, zu kauen Kunststoff. Dann kehrten sie den Kurs um und wandelten die Cutinase wieder in PETase um, um zu zeigen, wie eins zum anderen wurde.

Beckham würde diese Worte essen (und verdauen) müssen.

———

Das Team begann Ende 2017 mit der ersten Hälfte des Experiments, bei dem PETase wieder in Cutinase umgewandelt wurde. Zunächst optimierten sie die DNA, aus der das Enzym PETase besteht. Insbesondere mutierten sie zwei Aminosäuren, so dass ihre Substitute in ein U eingeklemmt wurden, wodurch ein Enzym entstand, das näher an der Cutinase lag. Für seinen Teil begann Rorrer - der Polymer-Typ -, Flaschen von Kollegen zu ernten, einschließlich der Favoriten des Personals wie Diet Pepsi und Diet Dr. Pepper. (Heute steht der Müll immer noch oben in seiner Kabine.) Er benutzte einen Standard-Bürolocher, um Kreise herauszuschneiden. Dann stellte er diese mit Versionen des modifizierten Enzyms auf engstem Raum zusammen, in der Erwartung, dass er zurückkommen würde, um festzustellen, dass es, wenn überhaupt, nur minimale Fortschritte machte.

Aber das ist nicht passiert. Als Rorrer vier Tage später zurückkehrte, stellte er fest, dass das gehackte Enzym nicht nur funktionierte, sondern etwa 30 Prozent mehr als die PETase aus der Sakai-Recyclinganlage aß. Die Teammitglieder begannen, an sich selbst zu zweifeln. Vielleicht habe ich die Proben falsch beschriftet, dachte Rorrer. Donohoe, der Spezialist für Zellaufschlüsselung, vermutete, dass sie die Proben vertauscht hatten. Sie wiederholten das Experiment zwei weitere Male, erzielten jedoch immer das gleiche Ergebnis: Das neue Enzym hatte einen guten Appetit. Donohoe erinnert sich: "Ich denke, wir müssen es glauben, obwohl ich nicht weiß, wie es geht."

Das Ergebnis blieb weiterhin offen, ob sich PETase theoh, wie das Team vermutet hatte von Cutinase verwandelt hatte. Aber das unerwartete Ergebnis ist immer noch eine gute Nachricht: Es bedeutet, dass sie das verbessern können, was die Evolution bereits bewirkt hat. »Die Natur hat nicht unbedingt die ultimative Lösung gefunden«, sagt der Chemieingenieur Beckham.

Als sie die Entdeckung im April 2018 ankündigten, klammerten sich die Leute an ihre Unaufmerksamkeit. John McGeehan wurde von Gwyneth Paltrows pseudowissenschaftlicher Wellnessmarke mit einem Goop Award ausgezeichnet. Er hat versucht, es abzulehnen, aber es gibt keine Ablehnung von Gwyneth Paltrow. Aber für diese Gruppe war es nicht genug, berühmt zu sein. Und die PETase ein wenig zu verbessern, war es auch nicht. »Hier ist wahrscheinlich Platz, um es noch viel besser zu machen«, sagt Beckham.

Es stellt sich heraus, dass Ideonella sakaiensis bei weitem nicht der einzige Organismus ist, der Plastikmüll als Brennstoff verwenden kann. "Bakterien entwickeln sich wahrscheinlich nur, um Dinge zu essen, die sie umgeben", sagt der Gentechniker Johnson. Biologen wissen seit Jahrzehnten, dass vorhandene Enzyme, wie die so genannten Esterasen, die von Mikroben und Pilzen ausgespuckt werden, PET und Nylon abbauen können.

Im Zürichsee schwimmende Kunststoffe tragen vier Organismen, die für den Verzehr von Polyurethan vorbereitet sind. Im Ozean haben Forscher in Indien Bakterienarten entdeckt, die Polyvinylalkohol abbauen können, der Papier wasserdicht macht. Eine andere Gruppe fand einen Pilz, dessen Cutinase auch PET mahlt. Keines von diesen kann jedoch schnell genug im Maßstab schlemmen, um für die Industrie noch nützlich zu sein. Mit mehr als 300 Millionen Tonnen Kunststoff, die jedes Jahr produziert werden, müssten die Organismen an allen Tagen, die in y enden, rund 906.000 Tonnen verbrauchen, um ihre Arbeit zu erledigen. Das Auflösen der Oberfläche einer Diet Dr Pepper-Flasche dauert vier Tage und ist nicht schnell genug.

Auf seiner eigenen Suche nach besseren Polymeressern hat das Dream-Team kürzlich neue Spieler von der Montana State University rekrutiert, die sich mit Extremophilen beschäftigen, die in den bunten Pools von Yellowstone kochen. »Selfie-Snapping-Touristen werfen viel Müll in diese heißen Quellen. Bei solchen Temperaturen schmilzt manchmal mehr als 400 Grad Kunststoff.

Für ein Bakterium ist das Kauen von überhitztem Müll wie ein Tempowechsel: Alles passiert viel schneller. Wenn die Wissenschaftler einen Extremisten oder Ingenieur finden, der es heiß mag und PET isst, dann sind sie einem Prozess einen Schritt näher, der schnell genug arbeitet, um in der realen Welt nützlich zu sein.

In diesem Szenario würde eine zukünftige Recyclinganlage den Kunststoff erhitzen oder in Würfel schneiden, ihn dann in einen großen Topf mit heißem Wasser werfen und mit etwas PETase (oder einem anderen hungrigen Enzym) bestreuen. Das würde eine Suppe aus mehrsilbigen Bestandteilen ergeben: Terephthalsäure und Ethylenglykol, die Stoffe, aus denen Unternehmen stärkere, höherwertige Polymere herstellen können.

Zunächst benötigen sie jedoch ein besseres Enzym. "Das Leben wird einen Weg finden", sagt Beckham lächelnd, als er Jurassic Park umschreibt . Dennoch könnte die Natur Unterstützung gebrauchen. Das Team nutzt zunächst das Geheimnis der Evolution: die zufällige Mutation. Manchmal macht ein neuer genetischer Code den Organismus besser für seine Umwelt geeignet und Im Labor können wir die Evolution jedoch beschleunigen, indem wir beispielsweise die potenziellen Plastikesser nur mit PET füttern. Wenn sie sich nicht zum Abendessen hinsetzen, hungern sie.

Das Team versucht auch, neues Leben zu schaffen, indem es das PETase-Gen in Bakterien injiziert, die weniger wählerisch sind als Ideonella . Beckham holt ein unveröffentlichtes Papier hervor und blättert zu Vorher-Nachher-Bildern. Nach vier Tagen in einem Reagenzglas mit einer neuen Mutante ist ein bisschen gelochtes Plastik, was er "eine suppige Mischung aus Mist" nennt. Mist hier sind zerkaute Plastikteile.

Mit anderen Worten, der Aufwand funktioniert. Während Beckham sich seine Bilder ansieht, lacht er und erinnert sich an einen Link, den ihm die Leute geschickt haben, als die erste Zeitung des Teams herauskam. Es zeigte auf ein 1971 erschienenes Buch namens Mutant 59: The Plastic-Eaters . In der Geschichte übernimmt ein Polymer-auflösendes Virus - es tötet Raumschiffe, stürzt Flugzeuge ab, versenkt U-Boote und verursacht im Allgemeinen unkontrollierbares Chaos, da es scheinbar alles Plastik der Welt zerstört.

Nicht-fiktionale Forscher planen, dass ihre technischen Organismen im Labor, in Röhrchen und schließlich in industriellen Prozessen verbleiben. Solche Organismen könnten sogar schon von außen existieren, nachdem sie sich auf die altmodische Weise entwickelt haben. Denken Sie daran, die Welt hat Bakterien, die viele andere Dinge essen, die wir lieben: Metall, Brot, Käse, unsere eigene Haut. Und wir sind alle noch hier, knabbern an Brot und Käse und sitzen auf Metallstühlen. Angesichts eines jahrelangen Vorsprungs haben die Mikroben es noch nicht geschafft, die Kontrolle zu übernehmen. Also, wenn die Natur nicht bemerkenswert schnell besser wird (es dauerte ungefähr 50 Jahre, bis die ineffiziente Version von PETase fertig war) oder ein Schurkenschauspieler einen Coup inszeniert, wird Ihr Walmart-Kajak in absehbarer Zeit nicht durch ein kleines Biest ausgemerzt.

Beckham schätzt die Sorge, dass Kohlenstoff, der während der Verdauung ausgespuckt wird, schließlich zu Kohlendioxid wird, einem Treibhausgas, das zum Klimawandel beiträgt. Aber jeder Zusatz würde durch Gase aus anderen Industrien in den Schatten gestellt. Seine Gruppe will weder eine bioerwärmte Welt noch eine Welt ohne Kunststoffe.

Stattdessen wollen sie einen echten wirtschaftlichen Anreiz für die Rückgewinnung der meisten Polymere schaffen. Derzeit ist das Ende des Recyclings nur PET mit schwächeren Bindungen: Es ist eine Herausforderung, eine weitere Flasche daraus herzustellen, und es ist ungefähr 75 Prozent des ursprünglichen Kunststoffs wert. Es geht in Textilien oder Teppiche. Diese landen normalerweise auf Mülldeponien.

Durch den biologischen Abbau von Kunststoff entstehen jedoch Komponenten, die zu Vorläufern für teure Materialien wie Kevlar werden können, das zwei- oder dreimal so viel wie recyceltes PET verkauft und in stressresistente Produkte wie Snowboards übergeht. Diese Materialien bieten Unternehmen einen bargeldbezogenen Grund, Kunststoff zurückzufordern. Innovatoren könnten sie sogar verwenden, um flugfreudigere Flugzeuge, effizientere Autos und robuste, leichte Teile zu bauen, an die wir noch nicht gedacht haben. Dinge, die vielleicht dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen zu senken.

Diese Welt wird morgen oder im nächsten Jahr nicht existieren. Aber es ist eine absehbare Zukunft, die durch die Mikroben des Traumteams oder durch die der anderen synthetisiert wird, und was auch immer die Natur auf den Polymer-Picknicktisch bringt. Wenn sie Erfolg haben, können wir mit Kunststoffen koexistieren, nicht auf einem Haufen von ihnen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Sommer-Ausgabe 2019 von Make It Last Popular Science veröffentlicht.

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