Enzymer som finns i naturen kan bryta ner vissa plaster, men inte tillräckligt bra för att stödja industriell återvinning och dämpa plastavfallets gissel. Bygga på vad naturen har gett, forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har förbättrat effektiviteten hos ett blad- och grenkompostkutinas som bryter ner polyetylentereftalat (PET), plasten som används i klara och färgade vattenflaskor i plast och många andra produkter. Forskare tror att enzymet kan förädlas ytterligare, erbjuda en lovande kandidat att bränsle gränslös återvinning av PET och eventuellt annan plast som cellulosaacetat.

I arbete som nyligen publicerats i tidskriften Biokemi , forskarna använde jästceller för att uttrycka blad- och grenkompostkutinas (LCC) modifierat genom tillsats av sockermolekyler - eller glykaner - på två platser. Det "glykosylerade" modifierade enzymet behöll minst hälften av sin aktivitet efter 48 timmar vid 75 grader Celsius, jämfört med en tidigare rapporterad halveringstid på 40 minuter för det oförändrade enzymet vid 70 grader Celsius.

"Vi behöver plast och andra material som håller bra prestanda och, efter användning, kan sedan brytas ned genom säkra och milda processer till sina ursprungliga byggstenar för återanvändning, "sade Richard Gross, huvudförfattare till forskningen, Konstellationsprofessor i biokatalys och metabolisk teknik, medlem i Centrum för bioteknik och tvärvetenskapliga studier, och professor i kemi och kemisk biologi vid Rensselaer. "Målet bör vara noll avfall och att göra det, vi måste bygga in återanvändning i designen av ett brett spektrum av polymerer och material. Detta är ett uppmuntrande steg mot det målet. "

"Detta lovande framsteg, som verkligen behövs eftersom plastföroreningar blir ett allt större hot mot vår miljö, är ett resultat av den mångfaldiga kompetensuppsättning och samarbetsmiljö som vi har byggt på Rensselaer, säger Deepak Vashishth, chef för Centrum för bioteknik och tvärvetenskapliga studier. "Dr Gross forskning spänner över gränser mellan biologer och biotillverkning, och kommer säkert att hjälpa oss att lösa de kritiska problem vi står inför. "

Med befintlig teknik, en plastflaska är inte så mycket återvunnet som nedcyklad. Efter en gångs användning, en hög andel PET -flaskor går direkt till deponier eller återanvänds som andra plaster som PET -fibrer och fleece för kläder, matta, påsar, möbel, och förpackningsmaterial. Så småningom, nedcyklad PET tar sig till deponier eller andra oönskade miljöer som hav och sjöar, ett öde som många konsumenter är omedvetna om när de slänger sina vattenflaskor i en papperskorg.

Att bryta ner PET i sina byggstenar - tereftalsyra och etylenglykol - skulle möjliggöra gränslös återanvändning som är vanligare i samband med andra återvinningsbara material som glas och metall. Vissa naturligt förekommande enzymer kan bryta ner PET, men inte inom de tids- och temperaturbegränsningar som krävs för en industriell återvinningsprocess. Många enzymer tappar sin aktivitet vid högre temperaturer, och så småningom denaturera. Ett enzym lämpligt för industriell återvinning måste kunna fungera vid optimal temperatur för att bryta ner PET, som är ca 75 grader Celsius, och den måste behålla sin aktivitet tillräckligt länge för att göra sitt arbete kostnadseffektivt vid den temperaturen.

LCC upptäcktes initialt genom metagenomisk analys av en bladgrenskompost, vilket betyder att forskare extraherade DNA som finns i en kompost oavsett organismer som producerade det, och använde sedan DNA:t för att uttrycka och katalogisera enzymer som var närvarande. En studie från 2012 publicerad av orelaterade forskare i tidskriften Tillämpad och miljömikrobiologi visade att LCC kunde hydrolysera, eller gå sönder, SÄLLSKAPSDJUR, men förlorade aktivitet snabbt vid högre temperaturer. Det lockade Gross uppmärksamhet, en expert på biokatalytiska och kemiska syntetiska metoder, som såg möjligheten att förbättra enzymets "kinetiska stabilitet" utan att skada dess förmåga att bryta ner PET.

Labbet studerade enzymet och hittade tre separata glykosyleringsställen, aminosyrasekvenser till vilka glykaner är bundna under proteinsyntes. Gross sa att glykosyleringsställena kunde ha utvecklats i en tidigare organism och bevarats trots att de inte användes av den naturliga bakterien som ursprungligen producerade detta protein. Oavsett, när laget uttryckte enzymet med hjälp av jäststammen Pichia pastoris, de fann att jästen naturligt glykosylerade enzymet på de tre platserna. Ytterligare forskning visade att två glykosyleringsställen gav ett mer effektivt enzym än tre ställen.

Med bara de mindre ändringarna, laget såg mer än en 60-faldig förbättring av kinetisk stabilitet. Och Gross sa att ytterligare forskning kommer att utforska hur man ytterligare kan förbättra kinetiken och enzymets totala aktivitet genom att experimentera med aminosyrasekvenser för att skapa variantstrukturer. Genom detta arbete, Gross förväntar sig att förstå designreglerna som leder till bättre prestanda.

"Detta cutinas är en utmärkt kandidat för kommersialisering, men detta arbete kommer också att hjälpa oss att designa andra cutinaser för att bryta ner andra polymerer, och det är ett mycket större slutspel, "sa Gross.

"Stabilizing Leaf and Branch Compost Cutinase (LCC) with Glycosylation:Mechanism and Effect on PET Hydrolysis" publicerades i Biokemi .