Resultaten, som publiceras i dag i tidskriften Nature Communications, kan en dag leda till återvinningsprocesser i industriell skala som förvandlar matavfall, bomull och annat organiskt material till nya produkter. Det skulle också kunna bana väg för en effektivare omvandling av växtmaterial till biobränslen.
"Dessa enzymer hjälper till att göra kolåtervinning i miljön möjlig, och vi kanske kan använda kunskapen om hur de fungerar för att konstruera bättre versioner för återvinningsändamål", säger NISTs mikrobiologiska biolog Adam Guss.
En av de viktigaste delarna av kolets kretslopp är nedbrytningen av organiskt material (allt från gamla löv till bomullskläder till döda mikroorganismer) av bakterier och svampar. Denna nedbrytningsprocess returnerar värdefullt kol och näringsämnen till jorden, där det kan ge nytt liv – så länge det organiska materialet är biologiskt nedbrytbart. Syntetiska eller högbearbetade organiska material bryts vanligtvis inte ner bra, och detta har blivit ett stort problem för miljön.
Men vissa enzymer som kallas lytiska polysackaridmonooxygenaser (LPMO) tillåter vissa bakterier och svampar att kringgå det hårda yttre av annars osmältbart organiskt material, vilket gör det möjligt för mikroberna att bryta ner de inre delarna av molekylerna för mat och energi.
Som namnet antyder använder LPMO:er syre och metalljoner som koppar eller järn för att bryta isär sockerbaserade molekyler, kända som polysackarider som är en del av byggnadsställningarna av växtcellväggar i löv och bomullsfibrer, såväl som i exoskeletten av kitin -innehåller svampar och insekter.
NIST-studien fokuserade på en LPMO producerad av en bakterie som heter Streptomyces coelicolor, en art som är känd för att bryta ner växtmaterial som en del av kompostbildningsprocessen. Den bakteriella LPMO kunde bryta isär polysackarider på atomnivå utan att störa cellulosa "ryggraden", vilket är en lovande funktion för framtida biobränsleproduktion.
En mängd andra mikrober producerar också LPMO, men forskare börjar bara förstå hur de fungerar. När mer lärs om de olika LPMOs i naturen, kan det bli möjligt att transplantera dem till olika mikrober, skapa fabriker för återvinning av plast och andra moderna föreningar som inte bryts ner bra i miljön.
"I naturen hjälper LPMO svampar att bryta ner lövskräp i den sura, näringsfattiga jorden i skogarna," sa Guss. "Vi vill utnyttja kraften hos dessa enzymer för industriella processer med hjälp av mikrober som fungerar bäst vid högre pH-nivåer och högre temperaturer. Sedan kan vi tänka på storskalig återvinning, där vi odlar eller konstruerar bakterier med rätt LPMO, matar dem organiskt avfall och få användbara och värdefulla produkter – som hållbara bränslen eller bioplaster – ut i andra änden."
