Die Entdeckung einer internationalen Gruppe von Wissenschaftlern, zu der zwei Brasilianer gehören, kann dazu beitragen, die durch das Material verursachte Verschmutzung zu minimieren
Einer internationalen Gruppe von Wissenschaftlern, an der zwei Brasilianer der Universität von Campinas (Unicamp) teilnehmen, gelang es, die Leistung von PETase zu verbessern, einem Enzym, das sich von Polyethylenterephthalat, PET-Kunststoff, ernähren kann. Nachdem PETase 2016 in einer neuen Bakterienart entdeckt wurde, arbeitete die Forschergruppe daran, die Struktur des Enzyms zu ermitteln und seine Funktionsweise zu verstehen. In diesem Prozess haben sie zufällig eine Mutation des Enzyms erzeugt, die eine noch größere Affinität zu PET aufweist - das heißt, ein größeres Potenzial zum Abbau von Kunststoff.
Die Arbeit hat ein enormes Potenzial für die praktische Anwendung, da Schätzungen zufolge jedes Jahr zwischen 4,8 und 12,7 Millionen Tonnen Kunststoff in die Ozeane geworfen werden - eine Zahl, die nur tendenziell wächst. Kunststoffe, die sich selbst an den entlegensten Stränden der Welt ansammeln, werden gerade wegen ihrer Beständigkeit gegen Zersetzung verwendet, was die Umwelt am meisten bedroht. Wenn eine PET-Flasche weggeworfen wird, kann sie beispielsweise 800 Jahre lang in der Umwelt verbleiben - zusätzlich zu dem wachsenden und alarmierenden Problem der Mikroplastik.
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Bei alledem ist es leicht zu verstehen, welches große Interesse die Entdeckung eines Enzyms weckt, das Polyethylenterephthalat verdauen kann. Dieses Enzym, PETase genannt, hat jetzt seine Fähigkeit erhöht, Kunststoff abzubauen. Die Neuheit wurde in einem Artikel beschrieben, der in den Proceedings der National Academy of Sciences der Vereinigten Staaten von Amerika (PNAS) veröffentlicht wurde.
Zwei Forscher des Chemistry Institute der State University of Campinas (IQ-Unicamp) nahmen in Zusammenarbeit mit Forschern aus dem Vereinigten Königreich (University of Portsmouth) und den Vereinigten Staaten (National Renewable Energy Laboratory) an der Forschung teil. Sie sind der Postdoktorand Rodrigo Leandro Silveira und sein Vorgesetzter, der Professor und Proktor für Forschung am Unicamp Munir Salomão Skaf.
„Polyethylenterephthalat wird hauptsächlich bei der Herstellung von Getränkeflaschen verwendet und ist auch bei der Herstellung von Kleidung, Teppichen und anderen Gegenständen weit verbreitet. In unserer Forschung haben wir die dreidimensionale Struktur des Enzyms charakterisiert, das diesen Kunststoff verdauen kann, ihn konstruiert, seine Abbauleistung erhöht und gezeigt, dass er auch in Polyethylen-2,5-furandicarboxylat (PEF) aktiv ist, einem Ersatz für PET, hergestellt aus aus nachwachsenden Rohstoffen “, sagte Silveira gegenüber Agência FAPESP.
Das Interesse an PETase entstand 2016, als eine Gruppe japanischer Forscher unter der Leitung von Shosuke Yoshida eine neue Bakterienart, Ideonella sakaiensis , identifizierte , die Polyethylenterephthalat als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen kann - mit anderen Worten sich von PET ernähren. Es ist bis heute der einzige bekannte Organismus mit dieser Fähigkeit. Es wächst buchstäblich auf PET.
„ Die Japaner identifizierten nicht nur Ideonella sakaiensis , sondern entdeckten auch zwei Enzyme, die in die Umwelt ausgeschieden werden. Eines der sekretierten Enzyme war PETase. PET ist aufgrund seines Kristallinitätsgrades ein Polymer, das nur sehr schwer abgebaut werden kann. Wir verwenden technisch den Begriff "Rekalzitranz", um die Eigenschaft zu benennen, dass bestimmte hochverpackte Polymere dem Abbau widerstehen müssen. PET ist einer von ihnen. PETase greift jedoch an und zerlegt es in kleine Einheiten - Mono (2-hydroxyethyl) terephthalsäure (MHET). Die MHET-Einheiten werden dann [durch ein zweites Enzym] in Terephthalsäure umgewandelt und von den Bakterien absorbiert und metabolisiert “, sagte Silveira.
Alle bekannten Lebewesen nutzen Biomoleküle, um zu überleben. Alle außer Ideonella sakaiensis, die es schafft, ein synthetisches Molekül zu verwenden, das von Menschen hergestellt wird. Dies bedeutet, dass dieses Bakterium das Ergebnis eines sehr jüngsten Evolutionsprozesses ist, der in den letzten Jahrzehnten stattgefunden hat. Es gelang, sich an ein Polymer anzupassen, das in den frühen 1940er Jahren entwickelt wurde und erst in den 1970er Jahren im industriellen Maßstab eingesetzt wurde. Dafür ist PETase der Schlüsselteil.
„PETase macht den schwierigsten Teil, nämlich die Kristallstruktur aufzubrechen und PET in MHET zu depolymerisieren. Die Arbeit des zweiten Enzyms, das MHET in Terephthalsäure umwandelt, ist bereits viel einfacher, da sein Substrat aus Monomeren besteht, zu denen das Enzym leicht zugänglich ist, weil sie im Reaktionsmedium dispergiert sind. Daher konzentrierten sich die Studien auf PETase “, erklärte Silveira.
Der nächste Schritt bestand darin, PETase im Detail zu untersuchen, und das war der Beitrag der neuen Forschung. „Unser Fokus lag darauf herauszufinden, was PETase die Fähigkeit gab, etwas zu tun, was andere Enzyme nicht sehr effizient können. Der erste Schritt bestand darin, die dreidimensionale Struktur dieses Proteins zu erhalten “, sagte er.
„Um die dreidimensionale Struktur zu erhalten, müssen die x-, y- und z-Koordinaten jedes der Tausenden von Atomen ermittelt werden, aus denen das Makromolekül besteht. Unsere britischen Kollegen haben diese Arbeit mit einer bekannten und verwendeten Technik namens Röntgenbeugung durchgeführt “, erklärte er.
Modifiziertes Enzym bindet besser an das Polymer
Nachdem die Forscher die dreidimensionale Struktur erhalten hatten, begannen sie, PETase mit verwandten Proteinen zu vergleichen. Am ähnlichsten ist eine Cutinase des Bakteriums Thermobifida fusca, die Cutin abbaut, eine Art natürlicher Lack, der die Blätter von Pflanzen bedeckt. Bestimmte pathogene Mikroorganismen verwenden Cutinasen, um die Cutin-Barriere zu durchbrechen und die in den Blättern vorhandenen Nährstoffe zu verwenden.
Bild: PETase-Struktur in Blau mit einer PET-Kette (in Gelb), die mit dem aktiven Zentrum verbunden ist und dort abgebaut wird. Pressemitteilung / Rodrigo Leandro Silveira.
„Wir fanden heraus, dass PETase in der Region des Enzyms, in der chemische Reaktionen stattfinden, dem sogenannten‚ aktiven Zentrum ', einige Unterschiede in Bezug auf Cutinase aufweist. Es hat eine offenere aktive Seite. Durch Computersimulationen - und dies war der Teil, zu dem ich am meisten beigetragen habe - konnten wir die molekularen Bewegungen des Enzyms untersuchen. Während die durch Röntgenbeugung erhaltene kristallographische Struktur statische Informationen liefert, ermöglichen die Simulationen dynamische Informationen und die Entdeckung der spezifischen Rolle jeder Aminosäure im PET-Abbauprozess “, erklärte der Forscher von IQ-Unicamp.
Die Physik der Bewegungen des Moleküls ergibt sich aus den elektrostatischen Anziehungskräften und Abstoßungen der riesigen Menge von Atomen und der Temperatur. Mithilfe von Computersimulationen konnten wir besser verstehen, wie PETase an PET bindet und mit PET interagiert.
„Wir haben festgestellt, dass PETase und Cutinase am aktiven Zentrum zwei verschiedene Aminosäuren aufweisen. Durch molekularbiologische Verfahren haben wir dann Mutationen in PETase erzeugt, mit dem Ziel, diese in Cutinase umzuwandeln “, sagte Silveira.
„Wenn wir dies könnten, würden wir zeigen, warum PETase PETase ist, dh wir würden wissen, welche Komponenten ihm die besondere Eigenschaft verleihen, PET abzubauen. Zu unserer Überraschung produzieren wir jedoch eine noch aktivere PETase, wenn wir versuchen, die eigentümliche Aktivität von PETase zu unterdrücken, dh wenn wir versuchen, PETase in Cutinase umzuwandeln. Wir haben versucht, die Aktivität zu reduzieren, und stattdessen haben wir sie erhöht “, sagte er.
Dies erforderte weitere Computerstudien, um zu verstehen, warum die mutierte PETase besser war als die ursprüngliche PETase. Bei der Modellierung und Simulation konnte festgestellt werden, dass die in PETase erzeugten Änderungen die Kopplung des Enzyms mit dem Substrat begünstigen.
Das modifizierte Enzym bindet besser an das Polymer. Diese Kopplung hängt von geometrischen Faktoren ab, dh vom Typ „Schlüssel und Schloss“ zwischen den beiden Molekülen. Aber auch von thermodynamischen Faktoren, dh von den Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Komponenten des Enzyms und des Polymers. Die elegante Art, dies zu beschreiben, besteht darin, zu sagen, dass die modifizierte PETase eine "größere Affinität" zum Substrat aufweist.
In Bezug auf eine zukünftige praktische Anwendung, um einen Inhaltsstoff zu erhalten, der Tonnen von Plastikmüll abbauen kann, war die Studie ein großer Erfolg. Die Frage, was PETase zu einer PETase macht, bleibt jedoch unbeantwortet.
„Cutinase hat die Aminosäuren a und b. PETase hat die Aminosäuren x und y. Wir stellen uns vor, dass wir durch den Austausch von x und y gegen a und b PETase in eine Cutinase umwandeln könnten. Stattdessen produzieren wir eine verbesserte PETase. Mit anderen Worten, die beiden Aminosäuren sind keine Erklärung für das unterschiedliche Verhalten der beiden Enzyme. Es ist etwas anderes “, sagte Silveira.
Laufende Entwicklungen
Cutinase ist ein altes Enzym, während PETase ein modernes Enzym ist, das aus dem evolutionären Druck resultiert, der es Ideonella sakaiensis ermöglichte , sich an ein Medium anzupassen, das nur oder hauptsächlich Polyethylenterephthalat als Kohlenstoff- und Energiequelle enthält.
Unter den vielen Bakterien, die dieses Polymer nicht verwenden konnten, erzeugte eine Mutation eine Spezies, die dies schaffte. Dieses Bakterium begann sich viel mehr zu vermehren und zu wachsen als die anderen, weil es genug Nahrung hatte. Damit entwickelte es sich. Zumindest ist dies die Erklärung der Standard-Evolutionstheorie.
„Die Tatsache, dass wir durch eine kleine Änderung ein besseres Enzym erhalten haben, deutet stark darauf hin, dass diese Entwicklung noch nicht abgeschlossen ist. Es gibt noch neue evolutionäre Möglichkeiten zu verstehen und zu erforschen, um noch effizientere Enzyme zu erhalten. Verbesserte PETase ist nicht das Ende des Weges. Es ist nur der Anfang “, sagte Silveira.
Im Hinblick auf die Anwendung besteht der nächste Schritt darin, vom Labor in den industriellen Maßstab überzugehen. Hierzu sind weitere Studien zu Reaktortechnik, Prozessoptimierung und Kostensenkung erforderlich.
