Credit: Shosuke Yoshida et al.

Bakterier har fået appetit på plast

mandag 30 sep 19
|
af Morten Andersen

Kontakt

Anne S. Meyer
Professor
DTU Bioengineering
45 25 25 98

Sådan bliver PET brudt ned

Bakterien Ideonella sakaiensis nedbryder PET ved at producere to enzymer, som udfører hver deres opgave. Det første enzym, PETase, sørger for, at polyesterpolymeren, som PET er opbygget af, klippes i mindre stykker. I processen omdannes PET til mono-(2-hydroxyethyl) tereftalatsyre (MHET), tereftalat (TPA) samt bis(2-hydroxyethyl) TPA (BHET). Herefter kommer det andet enzym, MHETase, som Ideonella sakaiensis også producerer, i aktion. Enzymet nedbryder MHET videre til ethylenglycol og TPA. Dermed kan bakteriens enzymer reelt løse det miljøproblem, som PET-flasken udgør, idet de to underprodukter, som er tilbage, kan nedbrydes uden problemer af andre mikroorganismer, så man ender med CO2 og vand.

Bjerge af plastaffald

På verdensplan bliver der fremstillet ca. 480 mia. plastflasker årligt (2016-tal). Heraf bliver mindre end halvdelen recirkuleret. Selvom der i Danmark og andre lande, hvor man har pant på flaskerne, sker en recirkulation, ender flaskerne også her med at blive kasseret på et tidspunkt. Samtidig er det kun 30 pct. af verdens PET, der indgår i flasker. Andre 60 pct. af forbruget er til syntetiske tøjfibre – nemlig til polyester. I dag bliver en forsvindende lille andel af PET-affaldet udnyttet til at fremstille nye produkter. Resten bliver brændt, gravet ned eller ender i verdenshavene, hvor nedbrydningen kan tage flere hundrede år.

Kilde:THE GUARDIAN/EUROMONITOR

I 2016 fandt japanske forskere en bakterie,der kan nedbryde plasttypen PET, som især kendes fra plastflasker og tøjfibre. Nu vil danske forskere speede nedbrydningsprocessen op, så bjergene af plastaffald kan komme til nytte.

Endnu en gang har naturen overhalet mennesket indenom. På knap 80 år er det lykkedes evolutionen at frembringe en organisme, der kan håndtere et menneskeskabt materiale – plast – som tidligere ikke fandtes i naturen. Det drejer sig om bakterien Ideonella sakaiensis 201-F6, der er i stand til at nedbryde plasttypen polyethylentereftalat (PET), der bl.a. kendes fra sodavandsflasker.

”Det er i sig selv utrolig interessant, at Ideonella sakaiensis kan nedbryde PET. For ganske få år siden betragtede vi PET som unedbrydeligt i naturen. Samtidig har det vist sig, at nedbrydningen sker ved hjælp af kun to enzymer,” siger professor Anne Meyer, DTU Bioengineering, der står i spidsen for en forskergruppe, der ud over at løse miljøproblemet også vil omdanne PET-affaldet til nye produkter, der kan anvendes bæredygtigt.

PET bliver fremstillet af ethylenglycol og dimethyltereftalat (DMT) – produkter, der begge overvejende fremstilles ud fra råolie. Ideonella sakaiensis’ bedrift er at kunne nedbryde PET til de samme to forbindelser. De japanske forskere blev opmærksomme på bakteriens evner, da de så den vokse på store mængder PET-flasker på en genbrugsstation.

Der skal mere fart på

DTU-forskerne er mere interesserede i de to enzymer end i selve bakterien.

”Ideonella sakaiensis nedbryder PET, men omsætningen er meget langsom. Desuden er der en række praktiske problemer med at benytte mikroorganismer industrielt. Det tager en vis tid, inden bakterierne har etableret sig og når op på et volumen, der batter. Samtidig løber man ofte ind i uforudsete problemer, hvor mikroorganismerne trives dårligt. Derfor kan det være interessant at springe selve bakterien over og i stedet gøre brug af en efterligning af enzymernes virkemåde,” forklarer Anne Meyer.

”For os gælder det nu om at forstå, hvordan enzymerne kan bringes til at virke hurtigere. Vi er nødt til at sætte hastigheden op med en faktor 100 eller måske ligefrem faktor 1.000, før vi har en fornuftig businesscase. Det lyder måske drastisk, men vi har efterhånden stor erfaring med protein engineering, hvor vi tager processer, der fungerer i naturen, og speeder dem op. En forbedring på en faktor 10 er jeg sikker på, at vi ret hurtigt kan opnå, og en faktor 100 mener jeg også er realistisk,” siger Anne Meyer.

”Normalt når vi undersøger nye bioteknologiske processer, skal vi regne udgiften til det substrat, som mikroorganismerne skal leve af, med som en udgift. Men her står vi med et substrat, som der er rigeligt af, og som samfundet ligefrem har behov for at få skaffet af vejen. Samtidig har vi den store fordel, at mange lande – også Danmark – allerede har etableret systemer, hvor man indsamler plastaffald. Der indsamles i øjeblikket 335 mio. ton PET-affald verden over. Hvis vi kan nyttiggøre bare et par procent af det, vil der hurtigt være en god businesscase.”

Kan bruges til frostvæske og bæreposer

Når man har fået PET nedbrudt til ethylenglycol og DMT, kan man enten udnytte de to stoffer direkte eller bruge dem som udgangspunkt til at fremstille forskellige produkter.

”F.eks. vil ethylenglycol kunne anvendes direkte i antifrostvæske. Behovet for antifrostvæske er stort, og væsken produceres i dag af ikkefornybare kilder. Et andet eksempel er nye materialer, der kan erstatte de plastikposer, som er på vej til at blive forbudt i mange lande. Papirposer er ikke lige så gode, men man vil kunne fremstille et hybridmateriale af papir og genanvendte plastkomponenter, der har de rigtige egenskaber, og som kan recirkuleres eller nedbrydes biologisk,” siger Anne Meyer.

Unik tilgang

Med andre ord er det enorme mængder af råvarer og enorme udfordringer for samfundet, som er i spil. Derfor er DTU Bioengineering naturligvis langtfra alene på banen.

"Det er særdeles udfordrende at arbejde med enzymatisk nedbrydning og genanvendelse af plast. Det er netop derfor, det appellerer så meget til os."
PROFESSOR ANNE MEYER, DTU BIOENGINEERING

”Siden den japanske opdagelse i 2016 har forskergrupper fra Kina, USA og Sydkorea og flere andre lande kastet sig over feltet. Alligevel har vi grund til selvtillid. Vi har en solid tradition for at arbejde med enzymer på både molekylært og kinetisk niveau. Det interessante er jo ikke kun selve reaktionerne, men også hvordan man får dem til at forløbe effektivt og hurtigt. Det er unikt, at vi ikke kun har en biologisk tilgang. Vi lærer af biologien, men vi regner også på tingene rent fysisk-kemisk og forbedrer enzymerne ved protein engineering. Det er ’the DTU way’. Jeg er overbevist om, at området bliver stort for os,” siger Anne Meyer og understreger, at hendes forskergruppe ikke kun har fokus på anvendelser, men også på nye videnskabelige erkendelser:

”Det er tankevækkende, at naturen på blot 80 år har været i stand til at adaptere sig til en ny situation. Det giver håb om, at vi kan lære en masse ved at studere den japanske bakterie. Samtidig har naturen forsynet os med en skabelon for, hvordan vi selv kan designe enzymer, der kan løse en meget stor opgave. Jeg siger ikke, at det bliver let, tværtimod. Det er særdeles udfordrende at arbejde med enzymatisk nedbrydning og genanvendelse af plast. Det er netop derfor, det appellerer så meget til os.”

Andre enzymer til andre plasttyper

Et andet spørgsmål er, om de nye perspektiver også gælder for andre typer af plast. Faktisk er PET kun den fjerdemest producerede type – efter polyethylen, polypropylen og PVC. PET udgør kun nogle procent af verdens samlede mængde plastaffald.

”De to enzymer, som Ideonella sakaiensis producerer, er udelukkende i stand til at nedbryde PET. Men der er grund til at antage, at vi kan finde andre enzymer, der kan nedbryde andre typer af plast. Bl.a. er der for nylig rapporteret om fund af bakterier, der kan vokse på polyethylen, og andre, der kan vokse på polypropylen. Disse data skal vi lige have verificeret, men vi har også metoder, hvor vi direkte kan lede efter nye enzymer ved at gå igennem de stadig større mængder genomsekvenser for bakterier og svampe, der er deponeret i databaser.”