Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
Forskare från Manchester Institute of Biotechnology (MIB) har utvecklat en ny enzymteknikplattform för att förbättra plastnedbrytande enzymer genom riktad evolution.
För att illustrera användbarheten av deras plattform har de konstruerat ett enzym som framgångsrikt kan bryta ned poly(etylen)tereftalat (PET), plasten som vanligtvis används i plastflaskor.
Under de senaste åren har enzymatisk återvinning av plast dykt upp som en attraktiv och miljövänlig strategi för att hjälpa till att lindra problemen med plastavfall. Även om det finns ett antal befintliga metoder för återvinning av plast, kan enzymer potentiellt erbjuda ett mer kostnadseffektivt och energieffektivt alternativ. Dessutom skulle de kunna användas för att selektivt bryta ned specifika komponenter i blandade plastavfallsströmmar som för närvarande är svåra att återvinna med hjälp av befintlig teknik.
Även om det är lovande som teknik, finns det avsevärda hinder som måste övervinnas för att enzymatisk plaståtervinning ska kunna användas brett i kommersiell skala. En utmaning är till exempel att naturliga enzymer med förmåga att bryta ned plast vanligtvis är mindre effektiva och är instabila under de förhållanden som krävs för en process i industriell skala.
För att ta itu med dessa begränsningar, i en artikel som släpptes idag i Nature Catalysis , har forskare från University of Manchester rapporterat en ny enzymteknikplattform som snabbt kan förbättra egenskaperna hos plastnedbrytande enzymer för att göra dem mer lämpade för plaståtervinning i stor skala. Deras integrerade och automatiserade plattform kan framgångsrikt bedöma den plastiska nedbrytningsförmågan hos cirka 1000 enzymvarianter per dag.
Dr. Elizabeth Bell, som ledde det experimentella arbetet vid MIB, säger att "ackumuleringen av plast i miljön är en stor global utmaning. Av denna anledning var vi angelägna om att använda vår enzymutvecklingskapacitet för att förbättra egenskaperna hos plastnedbrytande enzymer för att hjälpa till att lindra några av dessa problem. Vi hoppas att vår skalbara plattform i framtiden kommer att tillåta oss att snabbt utveckla nya och specifika enzymer som är lämpliga för användning i storskaliga plaståtervinningsprocesser."
För att testa sin plattform fortsatte de med att utveckla ett nytt enzym, HotPETase, genom den riktade utvecklingen av IsPETase. IsPETase är ett nyligen upptäckt enzym som produceras av bakterien Ideonella sakaiensis, som kan använda PET som kol- och energikälla.
Även om IsPETase har den naturliga förmågan att bryta ned vissa semikristallina former av PET, är enzymet instabilt vid temperaturer över 40°C, långt under önskvärda processbetingelser. Denna låga stabilitet innebär att reaktioner måste köras vid temperaturer under glasövergångstemperaturen för PET (~65°C), vilket leder till låga depolymerisationshastigheter.
För att komma till rätta med denna begränsning utvecklade teamet ett termostabilt enzym, HotPETase, som är aktivt vid 70°C, vilket är över glasövergångstemperaturen för PET. Detta enzym kan depolymerisera halvkristallint PET snabbare än tidigare rapporterade enzymer och kan selektivt dekonstruera PET-komponenten i ett laminerat förpackningsmaterial, vilket framhäver selektiviteten som kan uppnås genom enzymatisk återvinning.
Professor Anthony Green, lektor i organisk kemi, säger att "utvecklingen av HotPETase på ett bra sätt illustrerar förmågan hos vår enzymteknikplattform. Vi är nu glada över att arbeta med processingenjörer och polymerforskare för att testa vårt enzym i verkliga tillämpningar. Vi går vidare, Vi hoppas att vår plattform kommer att visa sig användbar för att utveckla mer effektiva, stabila och selektiva enzymer för återvinning av ett brett utbud av plastmaterial."
Utvecklingen av robusta plastnedbrytande enzymer som HotPETase, tillsammans med tillgången på en mångsidig enzymteknikplattform, ger viktiga bidrag till utvecklingen av en bioteknisk lösning på plastavfallsutmaningen. För att föra denna lovande teknik framåt kommer nu att krävas ett samarbete och multidisciplinärt arbete som involverar bioteknologer, processingenjörer och polymerforskare från hela akademiska och industriella samhällen. Med världen som står inför ett ständigt växande avfallsproblem kan bioteknik ge en miljömässigt hållbar lösning. + Utforska vidare
