Forskere finder plastikspisende enzymer i naturen

Vi kan lige så godt springe direkte til konklusionen: Den bedste kandidat fandt de i kompostbunken.

Og nu er forskerne i fuld gang med at forbedre enzymets evne til at nedbryde polyuretan og nylon. 

Alt det vender vi tilbage til.

Den nye vej, som forskerne har valgt, kaldes bioprospektering. Det går ud på at lede i naturen efter biologiske organismer og genetisk materiale, der kan bruges i forskning og industrien. Se faktaboks.

Det er første gang, man gør det i så stor skala og søger så bredt for at finde enzymer, der kan nedbryde polyuretan (PUR) og nylon. De to typer plastik er notorisk svære at nedbryde. Læs mere derom i slutningen af teksten.

Som at lede under gadelygten

Den gængse metode i jagten på den slags plastnedbrydende enzymer er nemlig at søge i genom-databaser. Nærmere bestemt kigger man efter gen-sekvenser, der ligner dem, man finder i de velegnede enzymer, man kender i forvejen. Dem er der ikke er mange af. 

Det er lykkedes at finde plastnedbrydende enzymer med de gængse metoder. 

Men for at citere en gammel vittighed, så svarer det lidt til at lede efter en nøgle under en gadelygte, fordi dér er lys – og det er der ikke der, hvor man tabte nøglen.

Lange og korte rejser

Ideen til at rejse ud i verden fik Andreas Møllebjerg, da han skulle tiltræde sin stilling som postdoc på det daværende Interdisciplinary Nano Science Center (iNANO) på Aarhus Universitet – nærme bestemt på et nyt forskningsprojekt, der skulle undersøge naturens enzymers evne til at nedbryde plastik. 

”Jeg foreslog at lede efter egnede enzymer på steder, hvor det er varmt, for der har bakterierne det godt og vokser fint året rundt. Og gerne et sted, hvor der har været plastik i lang tid. Halvandet år senere sad jeg på et fly til Kenya og derefter en halv time bag en lokal studerende på hans motorcykel ud til en kæmpestor losseplads. Han hjalp mig med at indsamle og med kontakten til de hundredvis af mennesker, der levede på og af lossepladsen,” fortæller han.

Andreas Møllebjerg er medforfatter på den videnskabelige artikel, som for nylig blev offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Angewandte Chemie.

Det var ham, der stod for indsamlingen af bakterier rundt om i verden. Sammen med ph.d.-studerende og medforfatter Malte Kjær Bendtsen rejste han til Randers Regnskov Tropical Zoo for at samle plastic-affald, og han købte en pose voksmøllarver fra en dyrefoderbutik, så de kunne undersøge enzymerne i deres tarme.

Og så hentede han altså en skovlfuld kompost på en genbrugsplads ca. 10 km. fra universitetet.

Fakta: 
Selve ideen om bioprospektering er ikke ny, og tilbage i 2012 fandt man et enzym, som viste sig effektiv til at nedbryde en anden type plast – nemlig polyester, som du kender fra bl.a. PET engangsflasker. Det er foreløbig det eneste enzym, der bruges til at nedbryde plastik i industriel skala. Det blev i øvrigt også fundet i en kompostbunke.

Bakterier tændte selv for lyset

Vel hjemme i laboratoriet gav de sig til at sortere de mange bakterier. Det gjorde de med en avanceret teknik kaldet fluorescence-assisteret cellesortering (FACS): 

De blandede bakterierne med molekyler, som efterlignede bindingerne i polyuretan og nylon – og som lyste op, når de kom i kontakt med en bakterie, som indeholdt et egnet enzym. 

Bakterien tændte med andre ord sit eget lille neonskilt og afslørede, at den rummede noget interessant.

Ved hjælp af en cellesorteringsmaskine kunne forskerne gennemgå millioner af bakterier og fiske de lysende celler ud med en hastighed på op mod 10.000 i sekundet.

”Det var ligesom en tretrinsraket, hvor vi sorterede dem fra lidt efter lidt. Vi startede med at finde bakterier, der kunne nedbryde det fluorescerende modelmateriale. Så isolerede vi enzymerne, der kunne nedbryde lige præcis det fluorescerende materiale. Og så afprøver vi enzymerne på mere og mere realistiske materialer,” forklarer Malthe Kjær Bendtsen.

Et realistisk materiale var f.eks. en madras af polyuretanskum, ganske vist i pulveriseret form.

Resultatet: 29 plastiknedbrydende bakterier og 12 enzymer, der i forskellig grad kan nedbryde polyuretan og nylon. 

Allround-enzym er mest lovende

Den mest lovende var altså det enzym, som gruppen valgte at kalde CC^PUR1. CC kommer fra bakterien Chelatococcus composti, PUR kommer af ordet PURase, som igen er et kælenavn for polyurethanase, der er enzymer, som kan nedbryde plast af typen polyuretan (PUR).

Dets hemmelighed? CC^PUR1 har en meget bred bindingskløft, så det kan rumme store polymerer, og det er desuden ekstra stabilt og tåler højere temperaturer og forskellige opløsningsmidler bedre end de andre. Det er simpelthen bedre allround.

Og hvorfor er en bakterie i en kompostbunke bedre til at nedbryde plastik, end bakterier fra f.eks. en losseplads? 

Fordi kompostbunker indeholder planternes svært nedbrydelige polymerer som voks og lignin. For at nedbryde dem har bakterien har udviklet et enzym, som tilfældigvis også kan nedbryde plastik. Desuden bliver kompost meget varmt, op til 80℃, så enzymerne skal være mere stabile for at overleve der.

De øvrige 11 enzymer er ikke ubrugelige – tværtimod. De fungerer bedst på små stykker plastik og kan derfor komplementere CC^PUR1 i fremtidige proceskombinationer. Og fordi enzymerne er selektive, forestiller forskerne sig en slags enzym-cocktail, hvor man først fjerner polyuretanen, vasker den væk, og derefter tager nylon-nedbryderne – noget, de kemiske metoder ikke kan.

Lang vej endnu

CC^PUR1 kunne på tre døgn nedbryde lige under en procent af det madrasskum, som forskerne ”fodrede” det med.

Der er således lang vej endnu, til enzymet kan gøre det muligt at genanvende PUR og nylon i industriel skala.

Og måske skal det kombineres med mekanisk og kemisk nedbrydning, så man kan gøre plastikken mere ”spiselig” for enzymerne. Kemisk nedbrydning af PUR og nylon er også et stort videnskabeligt satsningsområde – også på Aarhus Universitet.

”Men forskningen understreger enzymernes styrke. Deres virkelige fordel, når det gælder genanvendelse er, at de arbejder under milde betingelser, altså ved lavere temperaturer og tryk end dem, der bruges i de fleste genanvendelsesteknologier i dag," siger postdoc Rosie Graham, som stod for at afprøve enzymernes appetit på plastmaterialerne i laboratoriet.Og som nævnt er forskergruppen slet ikke færdig med CC^PUR1. I et nyt studie, der udkommer i tidsskriftet Chem Catalysis i dag, har forskerne bygget videre på enzymet. Ved hjælp af computersimulationer og målrettet redigering i enzymets DNA har de forbedret det, så den modificerede version på tre døgn nedbrød omkring 1,4 procent af polyuretanet i skum fra en ægte skosål – uden forbehandling af plastikken. Det studie er Rosie Graham førsteforfatter på.

Den hellige gral

Og så det med genanvendelse af PUR og nylon:

Nogle plasttyper er nemme at genanvende. Andre er virkelig besværlige – i hvert fald i industriel skala.

Polyuretan og nylon hører til den sidste kategori. Polyuretan finder du i alt fra skum i madrasser og skosåler til isolering i køleskabe, mens nylon er i dit tøj, i tasker, biler, reb, motordele, fiskenet og meget, meget mere.

Begge dele er baseret på råolie, som er en begrænset resurse. Derfor knokler forskere med at finde løsninger til at nedbryde polyuretan og nylon til deres rene bestanddele, som kan bruges til at producere nyt polyuretan og nylon med – i stedet for at anvende endnu mere råolie.

Helt overordnet satser de på forskellige tilgange – kemiske og biologiske – og de gør fremskridt. Løsningerne fra laboratorierne er bare ikke klar til industriel skala endnu.

Så en meget stor del af de millioner af tons PUR, som produceres globalt, ender med at blive brændt eller deponeret på lossepladser. Det er en af grundene til, at forskerholdet sammenligner det med at finde den hellige gral, hvis det lykkes at finde en effektiv metode til at genanvende PUR.