Ett team av CSIC-forskare har upptäckt att vaxmasksaliv bryter ned plast; en upptäckt med många tillämpningar för behandling eller återvinning av plastavfall. Redan 2017 upptäckte teamet att denna maskart (lepidopteran Galleria mellonella) kan bryta ner plast (polyeten), och nu har de upptäckt precis hur den gör detta:dess saliv innehåller enzymer (som hör till fenoloxidasfamiljen) som snabbt kan sätta igång polyetennedbrytning vid rumstemperatur. Dessa enzymer är de första och enda kända enzymerna som kan bryta ned polyetenplast utan att behöva förbehandling, enligt Federica Bertocchini, en CSIC-forskare vid CIB-CSIC (Centre for Biological Research) som ledde studien. Resultaten av arbetet, i väntan på granskning, har publicerats i förtryck i BioRxiv online-arkiv.

"För att plast ska brytas ner måste syre penetrera polymeren (plastmolekylen). Detta är det första steget i oxidation, som vanligtvis är ett resultat av exponering för solljus eller höga temperaturer, och representerar en flaskhals som bromsar nedbrytningen av plaster som t.ex. polyeten, en av de mest resistenta polymererna", förklarar Bertocchini. "Det är därför det, under normala miljöförhållanden, tar månader eller till och med år för plast att brytas ned", tillägger hon.

"Nu har vi fått reda på att enzymer i vaxmaskens saliv utför detta avgörande steg:de oxiderar plasten. Det betyder att de kan övervinna flaskhalsen i plastnedbrytningsprocessen och påskynda dess nedbrytning", tillägger hon.

Polyeten är en av de tuffaste och mest använda plasterna. Tillsammans med polypropen och polystyren utgör den 70 % av den totala plastproduktionen. Plastföroreningar utgör ett hot mot planetens hälsa och miljö, så det är angeläget att hitta lösningar för att ta itu med plastavfallsproblemet. Ett av de mest lovande forskningsområdena med störst potential är den biologiska nedbrytningen av plast. Denna process är känd som biologisk nedbrytning och är förknippad med mikroorganismer som bakterier och svampar. Men hittills är endast en handfull mikroorganismer kända för att bryta ner de sega plastpolymererna som bildar polyeten. Dessutom krävs i de flesta fall en aggressiv förbehandling för att garantera oxidation och därmed göra det möjligt för mikroorganismerna att utöva en viss effekt (om än långsam) på plasten.

Plastätande maskar

För några år sedan öppnades ett nytt forskningsfält med upptäckten att vissa insektsarter av Lepidoptera- och Coleoptera-ordningarna kan bryta ner polyeten och polystyren. "I vårt labb upptäckte vi den insekt som verkar vara den snabbaste av alla:larverna av lepidopteran Galleria mellonella, allmänt känd som vaxmasken", säger Bertocchini. "Dessa larver kan oxidera och bryta ner polymererna i plasten riktigt snabbt" (efter bara en timmes exponering).

"Under de senaste åren har ansträngningar gjorts för att ta reda på hur dessa insekter lyckas göra detta.  Många studier har fokuserat på mikroorganismerna som lever i matsmältningssystemet hos dessa maskar, baserat på antagandet att maskarna kan använda plast som föda och att dess nedbrytning skulle vara resultatet av deras metaboliska aktivitet och matsmältningsprocesser", säger forskaren. "Men detta antagande är mycket tveksamt så från början har vår forskning fokuserat på maskens munhåla", förklarar hon.

"Vi har granskat vaxmaskens beteende när den kommer i kontakt med polyeten och funnit att enzymerna som finns i maskens saliv (dvs. vätskan inuti insektens mun) kan bryta ner polyeten", berättar Bertocchini. "När polymeren kommer i kontakt med saliv oxiderar och depolymeriserar den inom några timmar. Vi har identifierat nedbrutna rester som bildas i närvaro av maskens saliv", säger hon.

Vidare har forskarna analyserat saliven med hjälp av elektronmikroskopi och observerat en hög proteinhalt. "Vi har isolerat två enzymer från saliven som kan reproducera den oxidation som produceras av saliven som helhet", förklarar forskaren. Dessa två proteiner, kallade Demetra och Ceres, tillhör familjen fenoloxidasenzymer.

"Vi fann att Demetra-enzymet hade en betydande effekt på polyeten och lämnade märken (små kratrar) på plastens yta, synliga för blotta ögat; denna effekt bekräftades också av uppkomsten av nedbrytningsprodukter som bildades efter exponering av polyetenen. till detta enzym. Ceres-enzymet oxiderar också polymeren, men lämnar inga synliga märken, vilket tyder på att de två enzymerna har olika effekt på polyeten", sammanfattar hon.

Hur fenoloxidasenzymer fungerar

Fenoler är molekyler som används av växter för att försvara sig mot potentiella fiender, såsom insektslarver. Därför kan insekter producera fenoloxidasenzymer som ett sätt att oxidera växtfenoler, och därmed neutralisera dem, vilket betyder att de kan livnära sig säkert på växterna. Fenoler finns också i många plasttillsatser, vilket kan göra dem till mål för dessa enzymer och skapa de nödvändiga förutsättningarna för oxidation och depolymerisation av plasten. "Än så länge är detta bara spekulationer och ytterligare experiment kommer att behövas för att undersöka enzymets verkningsmekanismer på djupet", varnar forskare.

En ännu mer intressant fråga är hur vaxmaskar har förvärvat denna förmåga. Forskare spekulerar i att det kan bero på en evolutionär process. Vaxmaskar livnär sig på bikupavax och pollen från en mängd olika växtarter. Med tanke på att bikupavax är fullt av fenoler, skulle denna typ av enzym vara mycket användbart för dessa insekter. Indirekt skulle detta förklara varför vaxmaskar kan bryta ner polyeten. Men än så länge är denna teori bara spekulation och vi måste bedriva mer forskning som kombinerar insektsbiologi med bioteknik. + Utforska vidare

Ny enzymupptäckt är ytterligare ett steg mot plastavfall