- Das neuartige bakterielle Enzym kann Polyesterkunststoffe und Penicillin abbauen, was die hohe Anpassungsfähigkeit von Mikroben zeigt.
- Die meisten synthetischen Kunststoffe zerfallen nur sehr langsam, was zur Bildung von Mikro- und Nanoplastik führt.
- Die Forschung zeigt, dass Bakterien durch Verdauung in Kunststofffolien eindringen können, was die traditionelle Annahme herausfordert.
- Bakterien könnten sich mit doppelter Funktion entwickeln, die sowohl beim Abbau von Kunststoffen als auch bei der Inaktivierung von Antibiotika hilfreich ist.
Das Forschungsteam der Universität Konstanz hat ein neuartiges bakterielles Enzym entdeckt, das in der Lage ist, bestimmte Polyesterkunststoffe und Biokunststoffe abzubauen und gleichzeitig Penicillin zu spalten. Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass Mikroben sich möglicherweise schneller an Kunststoffe anpassen, als Wissenschaftler erwartet hatten. Die Studie wurde im ISME Journal veröffentlicht. Das Enzym befindet sich an der Außenseite der Bakterienzelle und hat eine ungewöhnlich große aktive Stelle. Die Mikrobiologen Harry Lerner und David Schleheck bezeichneten es als "Pac-Man-Enzym". Lerner ist der Hauptautor der Studie und war zu diesem Zeitpunkt Postdoktorand an der Universität.
Die Bedeutung dieser Entdeckung liegt darin, dass die meisten synthetischen Kunststoffe von Mikroben nur sehr langsam abgebaut werden, wodurch der Abfall meist zu Mikro- und Nanoplastik zerfällt. Die biologische Abbaubarkeit von hochdichtem Polyethylen (HDPE) könnte Hunderte bis Tausende von Jahren in Anspruch nehmen. Mikroben kolonisieren tatsächlich Kunststoffabfälle und bilden einen Lebensraum, den die Forscher als "Plastisphere" bezeichnen, können jedoch in der Regel die meisten Kunststoffe nicht als Nahrungsquelle nutzen.
Wie Bakterien Biokunststoffe abbauen
Im Waldboden über ein Jahr hinweg untersuchten Lerner und Schleheck, ein Professor für Mikrobiologie, wie Mikroben Biokunststoffe vollständig abbauen können, indem sie Folien aus langkettigen aliphatischen Polyestern (LCAP) verwenden, die von einem Team um den Chemiker Stefan Mecking entwickelt wurden. Sie vergruben die Folien etwa 10 Zentimeter tief im Waldboden und mischten im Labor Biokunststoffpulver in denselben Boden, um die durch die mikrobielle Atmung erzeugte Kohlendioxidmenge über ein Jahr hinweg zu verfolgen. Alle getesteten Biokunststoffe, einschließlich LCAP, PHBV und PCL, wurden innerhalb von etwa 250 bis 330 Tagen vollständig abgebaut.
Cellulose zerfällt innerhalb von etwa 80 Tagen, während HDPE nahezu keinen Abbau zeigt.
Elektronenmikroskopaufnahmen der vergrabenen LCAP-Folie zeigen mikrometergroße Löcher, deren Größe und Form mit einzelnen Bakterienzellen übereinstimmen. Das Forschungsteam nimmt an, dass Bakterien, die mit Kunststoff-abbaubaren Enzymen ausgestattet sind, durch Verdauung in die Folie eindringen, was die Annahme herausfordert, dass Bakterien diese Enzyme lediglich in die Umgebung abgeben.
Doppelfunktion von Genen und Enzymen
Bei der Suche nach DNA im Boden entdeckten die Forscher ein Gen, das in Böden mit ausschließlich LCAP stark angereichert war. Dieses Gen kodiert für eine Esterase mit einem Sekretionssignal und einer Lipidverankerung, die es ihr ermöglicht, an der Zelloberfläche zu haften. Ihre Struktur ähnelt auch β-Lactamasen, Enzymen, die β-Lactam-Ringe in Antibiotika wie Penicillin spalten können. Im Labor zeigte das Team, dass das Enzym Polyester durch Hydrolyse in Monomere abbaut und gleichzeitig Penicillin spaltet. Schleheck erklärte, dass die Haftung an der Oberfläche dazu beiträgt, beide Aufgaben zu erfüllen. Das Kunststoffsubstrat bildet sich in der Nähe der Zelle, sodass die Bakterien es aufnehmen können, bevor es wegschwimmt oder von Nachbarn beansprucht wird.
Bevor die Antibiotika in die Zelle gelangen, sind sie bereits inaktiviert worden.
Lerner äußerte, dass Wissenschaftler verwundert über die weit verbreitete Existenz von Antibiotika-resistenten Genen in der Plastisphere sind. Diese Entdeckungen deuten darauf hin, dass die Organismen hier möglicherweise eine Doppelfunktion entwickelt haben, die ihnen einen doppelten Vorteil verschafft. Ebenso ist es möglich, dass einige dieser Enzyme jetzt speziell für den Abbau von Kunststoffen verwendet werden, während die Aktivität der β-Lactamasen ein Überbleibsel aus ihrem Evolutionsprozess ist.
Schleheck bemerkte, dass es ermutigend ist, dass Bakterien anscheinend schneller als erwartet auf Polyesterkunststoffe reagieren können und dass die Menschen mit den Fähigkeiten von Mikroben zusammenarbeiten müssen. Idealerweise bedeutet dies, Polymere mit biochemischen Bruchstellen zu verwenden, wie die Esterbindungen in LCAP, um mit den Kunststoffen umzugehen, die dem Recycling entkommen und schließlich in die Umwelt gelangen.
Das Potenzial und die Herausforderungen der Bakterienanpassung an Kunststoffe
Diese Forschung zeigt die Anpassungsfähigkeit von Bakterien an Polyesterkunststoffe und verdeutlicht das Potenzial von Mikroben beim Abbau von Kunststoffen. Angesichts der zunehmenden Probleme durch Plastikverschmutzung wird die Suche nach effektiven Abbaumethoden immer wichtiger. Die Entdeckungen des Forschungsteams stellen traditionelle Ansichten in Frage und zeigen, dass Bakterien nicht nur Enzyme freisetzen, sondern auch direkt in Kunststoffe eindringen können, was neue Ansätze für zukünftige umweltfreundliche Technologien bieten könnte. Darüber hinaus könnte die Doppelfunktion der Bakterien zur Erklärung der Existenz von Antibiotika-resistenten Genen beitragen und unterstreicht die wichtige Rolle von Mikroben in Ökosystemen.