Bacterie lust plastic rauw

Enzym MHETase breekt PET af
Aan de rand van een plastic vuilstortplaats vinden Japanse onderzoekers in 2016 iets bijzonders: een bacterie die PET-flessen gebruikt als energiebron. Voedsel in overvloed. Wetenschappers hebben nu dit verteringsmechanisme doorgrond; de volgende stap is het efficiënter maken.

Over de hele wereld, van straat tot oceaanbodem, is plastic te vinden. Er zijn veel soorten plastic, die niet allemaal even goed te recyclen zijn. PET (polyethyleentereftalaat) is een van die soorten. We kennen het vooral van de frisdrankflessen, maar ook fleecetruien worden hiervan gemaakt. Dit is het meest gerecyclede plastic, hoewel het lastig is om van een PET-fles opnieuw een PET-fles te maken. Daar is nu vaak nog (deels) ruwe olie voor nodig, de grondstof voor plastic.

De vondst van de plastic-etende bacterie, de Ideonella sakaiensis, is destijds gepubliceerd in het vooraanstaande vakblad Science. Als de bacterie PET afbreekt, ontstaan er in principe weer bouwstenen om nieuw plastic maken. Het klinkt ideaal om deze bacterie los te laten op onze plastic vuilnisbelt, maar dat ligt toch nog iets ingewikkelder. Nu is nieuwe olie als grondstof voor plastic vaak goedkoper dan het bestaande plastic recyclen, en dat zal na inzet van de bacterie nog steeds zo zijn. Het verteren van het plastic gaat namelijk met minuscule muizenhapjes, het duurt ongeveer zes weken om een dun stukje folie te verteren.

Plastic-afbraak optimaliseren

De moderne biotechnologie kan dit proces versnellen, mits we eerst de afbraak van PET tot kleinere moleculen begrijpen. De bacterie doet dit met twee enzymen. In april 2018 probeerden onderzoekers het eerste enzym synthetisch na te maken. Geluk bij een ongeluk: de variant uit het lab was net iets anders en werkt juist béter. Het ging om het enzym PETase, dat PET omzet in MHET.

Duitse onderzoekers hebben nu de tweede en laatste stap van de plasticvertering ontrafeld. Zij publiceerden de chemische structuur van het enzym MHETase, dat op zijn beurt MHET weer afbreekt, onlangs in Nature Communications. Volgens Helge Niemann, biogeochemicus bij het NIOZ en niet betrokken bij dit onderzoek, is dit zeer interessant onderzoek. “Het doorgronden van de chemische 3D-structuur is essentieel om het enzym meer naar je hand te zetten.”

De bacterie Ideonella sakaiensis kan PET afbreken met behulp van twee enzymen. Het enzym PETase zet PET om in MHET. Vervolgens knipt het enzym MHETase dit op in twee kleinere moleculen: ethyleenglycol en tereftaalzuur.

Met het ontrafelen van de structuur ontdekten ze ook hoe MHETase MHET vastpakt en te grazen neemt, om het in kleinere stukken te breken. Met deze kennis is beter te bepalen welk stukje van het enzym je kan optimaliseren om het efficiënter te maken. PETase (deel één van de vertering) wist men met wat aanpassingen in het lab al een stuk efficiënter te maken. Het MHETase-enzym heeft een twee keer groter oppervlak dan PETase. Daardoor biedt het nog meer mogelijkheden om de afbraak van PET te optimaliseren, schrijven de MHETase-onderzoekers.

De bacterie knipt de lange moleculaire draad van PET (een polymeer) uiteindelijk op in kleine stukjes die geen plastic meer zijn (ethyleenglycol en tereftaalzuur). Ga je die kleine moleculen weer samenvoegen tot een polymeer, dan kun je er opnieuw plastic van maken.

Er is nog wel discussie hoe goed deze plastic-etende micro-organismen zijn voor de natuur, zegt Niemann: “Als de organismen van een groot blok plastic allemaal kleine microplastics maken, kan dat wellicht juist meer problematiek geven.” Het kan namelijk zo zijn dat de organismen niet elk stukje PET helemaal afbreken, maar dat ze soms wat moleculen aan elkaar laten zitten en er toch stukjes plastic achterblijven. “Aan de andere kant, microplastics hebben relatief een groter oppervlak, dus kunnen meer organismen zich vastbijten om het te toch verder te verteren.” Een oplossing zou kunnen zijn dit te gebruiken in gecontroleerde recyclefabrieken, en het niet zomaar in de natuur los te laten.

Meer organismen lusten plastic

Dat deze bacterie plastic eet is geen toeval. Als er energie uit een chemische verbinding te halen valt, zal er vroeg of laat wel een micro-organisme ontstaan dat die energiebron gaat gebruiken. De Ideonella sakaiensis is zo de relatief nieuwe stof PET gaan gebruiken als energiebron. Het was immers in overmaat aanwezig op de vuilnisbelt. Om een nieuwe stof te kunnen verteren moeten er eerst DNA-veranderingen ontstaan; dat kan ontzettend lang duren. Nu kunnen biotechnologen hierbij een handje helpen, door gunstige DNA-aanpassingen in de plastic-verterende enzymen te voorspellen (dankzij de bekende 3D-structuur) en deze zelf toe te passen.

Niemann doet zelf ook onderzoek naar plastic-verterende micro-organismen. De Japanse bacterie is namelijk niet de enige. “We hebben meer organismen op het oog die plastic kunnen eten.” Dat onderzoekt hij door plastic aan verschillende micro-organismen te ‘voeren’. “Als plastic de enige voedingsbron is, weten sommige organismen daar CO2 en eiwit van te maken”, ze verbruiken het dus. Maar wat daar tussenin gebeurt, hoe dat omzetmechanisme werkt, is ontzettend moeilijk te onderzoeken. “Japanners hebben dat van de Ideonella sakaiensis wel ontrafeld, maar dat is een immense klus geweest. Van andere micro-organismen weten we dat nog niet.”

Een verzameling plastic afval langs de weg.
Lucyin, via Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Plastic-etende enzymen in de vuilnisbelt

Er zijn mogelijkheden om de enzymen PETase en MHETase in te zetten om plastic op te ruimen, “maar zie het niet als de oplossing voor de plastic soep.” Je kunt die bacteriën niet in de oceaan verspreiden in de hoop dat ze al het plastic tegenkomen. Niemann ziet eerder toepassingen op plekken waar lokaal veel plastic vervuiling is, bijvoorbeeld een strand waar veel plastic ophoopt. “Injecteer de enzymen op die vervuilde plekken of op een vuilnisbelt waar plastic voorlopig ligt opgeslagen, dan kan het recycleproces alvast beginnen.” Niemann hoopt in ieder geval dat de oceaan geen onomkeerbare vuilnisbelt is geworden, maar dat het afval ooit door het milieu kan worden afgebroken. Ook al zullen daar nog generaties mensen overheen gaan.

Bron

G.J. Palm e.a., Structure of the plastic-degrading Ideonella sakaiensis MHETase bound to a substrate, Nature Communications. 12 april 2019.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink, en hoort bij het thema Duurzaamheid vergroten op Biotechnologie.nl.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden