Wetenschappers ontdekken methode om plastic af te breken in dagen, in plaats van eeuwen

Een groep wetenschappers aan de Universiteit van Texas heeft een gemodificeerd enzym ontwikkeld dat plastic binnen een paar dagen kan afbreken. Normaal gesproken duurt het eeuwen voordat plastic helemaal afgebroken is.

De bevindingen van de onderzoekers werden vorige week gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. In het onderzoek werd machine learning ingezet om mutaties van een snelwerkend eiwit te creëren dat de bouwstenen van polyethyleentereftalaat (PET) kan afbreken. PET is een synthetische hars die wordt gebruikt in vezels voor kleding en plastic. Volgens de studie is dit goedje verantwoordelijk voor twaalf procent van het wereldwijde afval. 

Het plastic werd afgebroken middels een proces dat depolymerisatie heet. In dit proces scheidt een katalysator de bouwstenen waaruit PET is opgebouwd in hun oorspronkelijke monomeren, wat organische moleculen zijn. Die monomeren kunnen vervolgens opnieuw gepolymeriseerd worden waardoor nieuw plastic ontstaat, en dat kan in andere producten worden verwerkt. Het indrukwekkendste aan dit proces is dat de enzymen het plastic binnen één week kunnen afbreken.

“We kunnen het afbreken tot zijn oorspronkelijke monomeren,” vertelt Hal Alper, professor in Chemische Technologie en auteur van het artikel, via de telefoon aan VICE. “Dit is wat het enzym doet. En als je dan eenmaal die oorspronkelijke monomeer te pakken hebt, is het alsof je helemaal opnieuw vers plastic maakt, met het voordeel dat je geen extra aardolie hoeft te gebruiken.”

“Dit heeft voordelen ten opzichte van traditionele recycling ,” voegt Alper toe. “Als je het plastic zou smelten en dan opnieuw zou vormen, zou het plastic bij elke nieuwe aan integriteit verliezen. Maar als je in staat bent om te depolymeriseren en vervolgens chemisch te repolymeriseren, kun je elke keer weer nieuwe PET-kunststof maken.”

Hun werk is een aanvulling op een bestaande reeks onderzoeken naar plastic-etende enzymen, die in 2005 voor het eerst werden ontdekt. Sindsdien zijn er negentien andere enzymen ontdekt, aldus het artikel. Deze enzymen zijn afkomstig van in de natuur voorkomende bacteriën die op plastic zijn aangetroffen.

Veel van deze in de natuur voorkomende enzymen bestaan uit doorontwikkelde eiwitten die het goed doen in hun specifieke omgeving, maar die beperkt worden door temperatuur en pH-condities. Hierdoor kunnen ze dus niet zomaar in elke omgeving worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld in recyclingcentra, stellen de auteurs. Het enzym dat Alper en zijn team ontdekten kan daarentegen 51 soorten PET afbreken binnen een hele reeks temperatuur- en pH-condities.

De onderzoekers gaven het enzym de naam FAST-PETase, wat een acroniem is voor “functioneel, actief, stabiel en tolerant PETase”, en ze kwamen tot de exacte structuur door gebruik te maken van machine learning. Een algoritme werd gevoed met 19.000 eiwitstructuren en leerde hierdoor de posities te voorspellen van aminozuren in een structuur. Zij gebruikten de formule ook om aminozuren van bestaande types PETase te herschikken op nieuwe posities, en identificeerden op die manier verbeterde combinaties van aminozuren. De onderzoekers kwamen uit bij een structuur die 2,4 keer meer activiteit vertoonde dan een bestaand PETase-enzym bij 40 graden Celsius en 38 keer meer activiteit bij 50 graden Celsius.

Deze werd vervolgens getest bij verschillende temperaturen en pH-waarden, en het bleef goed presteren.

“Wat je in de natuur ziet is waarschijnlijk enigszins optimaal, tenminste binnen de lokale omgeving rond elk van die aminozuren,” zegt Alper. “We kunnen beginnen te kijken naar het eiwit waarin we zijn geïnteresseerd, en vervolgens elk van de aminozuren doorlopen. De micro-omgeving van die aminozuren zal duidelijk maken wat past en wat niet past.” 

Alper en zijn team hopen dat hun enzym schaalbaarder zal zijn dan de meeste andere en dat de PETase echt wat kan betekenen voor de aanpak van de wereldwijde plastic-crisis. FAST-PETase kan een reeks van verschillende omstandigheden aan, maar moet nu bewijzen dat het zowel “draagbaar als betaalbaar op grote industriële schaal” kan zijn. 

Eerst, zegt Alper, moeten hij en zijn team FAST-PETase testen op de vele verschillende soorten PET die in de riolering worden aangetroffen. Ook moet het worden getest op het afval dat vaak wordt aangetroffen in plastic flessen of bovenop plastic verpakkingen tijdens het recyclingproces. Mochten de onderzoekers een enzym of groep van enzymen vinden die robuust genoeg is om in de praktijk te worden gebruikt, dan kan dat volgens hen helpen om de “miljarden tonnen” afval in ons milieu aan te pakken.