Ett forskargrupp från University of Greifswald och Helmholtz-Zentrum-Berlin (HZB) har löst molekylstrukturen för enzymet MHETase vid BESSY II. MHETas upptäcktes i bakterier, och tillsammans med ett andra enzym, PETase, kan bryta ner det mycket använda plast -PET i sina grundläggande byggstenar. Denna 3D -struktur tillät redan forskarna att producera en MHETase -variant med optimerad aktivitet för att kunna använda den, tillsammans med PETase, för en hållbar återvinning av PET.

Plast är extremt mångsidigt och nästan evigt hållbart. Men detta är också ett problem, för efter bara cirka 100 års tillverkning av plast, plastpartiklar finns nu överallt - i grundvatten, i haven, i luften, och i näringskedjan. Omkring 50 miljoner ton av den industriellt viktiga polymeren PET produceras varje år. Bara en liten del av plasten återvinns för närvarande via dyra och energikrävande processer som ger antingen nedgraderade produkter eller i sin tur beror på tillsats av "färsk" råolja.

2016, en grupp japanska forskare upptäckte en bakterie som växer på PET och som delvis livnär sig på den. De fann att bakterien har två speciella enzymer, PETase och MHETase, som smälter PET -plastpolymerer. PETase bryter ner plasten till mindre PET -byggstenar, främst MHET, och MHETase delar upp detta i de två grundläggande föregångaren byggstenarna i PET, tereftalsyra och etylenglykol. Båda komponenterna är värdefulla för syntetisering av nytt PET utan tillsats av råolja för en sluten hållbar produktions- och återvinningscykel.

I april 2018, strukturen för PETase löstes slutligen oberoende av flera forskargrupper. Diamantljuskällan var också involverad i experimenten. Dock, PETase är bara en del av lösningen. Det är lika viktigt att karakterisera strukturen för det andra enzymet, MHETase.

"MHETas är betydligt större än PETas och ännu mer komplext. En enda MHETas -molekyl består av 600 aminosyror, eller cirka 4000 atomer. MHETase har en yta som är ungefär dubbelt så stor som ytan av PETase och har därför betydligt större potential för optimering mot sönderdelning av PET, "förklarar biokemisten och strukturbiologen Dr. Gert Weber från Helmholtz-Zentrum Berlin och Freie Universität Berlin.

Under en interimsprofessur vid University of Greifswald, Weber kontaktade bioteknologen professor Uwe Bornscheuer vid Institute of Biochemistry, som redan var inblandad i plastnedbrytande enzymer. Tillsammans, de utvecklade idén att lösa strukturen för MHETase och sedan använda denna insikt för att optimera enzymet för applikationer inom PET -återvinning. Att göra detta, de var först tvungna att extrahera enzymet från bakterieceller och rena det. Inom detta samarbete, teamen lyckades få den komplexa tredimensionella arkitekturen för MHETase på BESSY II, synkrotronkällan vid HZB i Berlin.

"För att se hur MHETase binder till PET och sönderdelar det, du behöver ett fragment av plast som binder till MHETase men inte klyvs av det, "förklarar Weber. Medlem av Webers tidigare forskargrupp i Greifswald, Dr Gottfried Palm, skär upp en PET -flaska, sönderdelade PET -polymeren kemiskt och syntetiserade ett litet kemiskt fragment från den som binder till MHETas men inte längre kan klyvas av den. Från detta "blockerade" MHETase, små kristaller odlades för strukturella undersökningar vid HZB. "Strukturundersökningarna gjorde att vi kunde se MHETase praktiskt taget" på jobbet "och utveckla strategier för hur vi kan optimera detta enzym, "förklarar Weber.

"Tack vare det gemensamma forskargruppens format, vi har möjlighet att erbjuda stråltidsåtkomst på de mycket efterfrågade BESSY II MX -strålarna för mätningar mycket snabbt när som helst, "säger doktor Manfred Weiss, who is responsible for the BESSY II MX beamlines. The three-dimensional architecture of MHETase actually displays some special features:enzymes such as MHETase bind to their target molecule first before a chemical reaction occurs. For breakdown of a molecule you need a tailor-made enzyme:"We can now exactly localise where the MHET molecule docks to MHETase and how MHET is then split into its two building blocks terephthalic acid and ethylene glycol, " says Weber.

Dock, neither PETase nor MHETase are particularly efficient. "Plastics have only been around on this scale for a few decades—even bacteria with their rapid successions of generations and rapid adaptability have not managed to develop a perfect solution through the evolutionary process of trial and error over such a short time, " explains Weber. "Thanks to the clarification of the structure of this very important enzyme, we have now also been able to plan, produce and biochemically characterise variants that show significantly higher activity than natural MHETase and are even active against another intermediate product of PET degradation, BHET, " adds Uwe Bornscheuer.

I framtiden, Uwe Bornscheuer will work on systematically optimising the enzymes PETase and MHETase for their task—the decomposition of PET. Gert Weber plans to supplement these studies with further work on biological structures in order to systematically develop plastic-digesting enzymes for environmental applications. Access to the measuring stations and the IT infrastructure of HZB is indispensable for this.

Producing these kinds of enzymes in closed biotechnological cycles, till exempel, could be a way to really break down PET plastics and other polymers into their basic building blocks. This would also be the key to ideal recycling and a long-term solution to the plastic waste problem:production of plastic would be a closed cycle and no longer dependent on crude oil.

Studien publiceras i Naturkommunikation .