Recycling von Plastikmüll mit Bakterien

Polyethylenterephthalat (PET) ist eine Art von Plastik, das super häufig in Produkten wie Wasserflaschen, synthetischen Fasern und Lebensmittelverpackungen verwendet wird. Seit den 1990ern ist die Nachfrage nach PET rasant gestiegen. Diese Zunahme hat zu einer Menge PET-Abfall geführt, der sich in der Umwelt nicht abbaut. Tatsächlich waren 2015 rund 80 % der 6,3 Milliarden Tonnen Plastikmüll in Mülldeponien oder verstreut in der Natur. Die Produktion von PET hängt von fossilen Brennstoffen ab, die nicht erneuerbar sind, was zu weiteren Umweltproblemen führt.

Um diese Probleme anzugehen, schauen sich Wissenschaftler biotechnologische Methoden zur Wiederverwertung von PET an. Ein Bereich, der interessant ist, sind spezifische Enzyme, die PET in einfachere Teile zerlegen können. Ein solches Enzym heisst PETase und hat sich als vielversprechend erwiesen, um PET in zwei Verbindungen umzuwandeln: Bis(2-hydroxyethyl)terephthalat (BHET) und Mono(2-hydroxyethyl)terephthalat (MHET). Ein weiteres Enzym, MHETase, kann MHET in Ethylenglykol und Terephthalsäure umwandeln. Einige winzige Organismen, wie bestimmte Bakterien, können diese einfacheren Verbindungen als Nahrung nutzen, was den Weg zur Lösung des Plastikmüllproblems durch Bioremediation ebnet.

#Ethylenglykol: Eine nützliche Verbindung

Ethylenglykol ist eine Art Alkohol, der viele Anwendungen hat, darunter als Baustein für PET und als Frostschutzmittel. 2022 wurden etwa 57 Millionen Tonnen Ethylenglykol produziert. Mikroorganismen können Ethylenglykol für Energie und Wachstum nutzen und es entweder in Anwesenheit von Sauerstoff oder ohne Sauerstoff abbauen.

Verschiedene Bakterien haben unterschiedliche Wege, Ethylenglykol zu verarbeiten. Zum Beispiel wandelt Mycobacterium sp. Ethylenglykol in Acetaldehyd und dann in Acetat um. Ein anderes Bakterium, Acetobacterium woodii, behandelt Ethylenglykol ähnlich. Die meisten Bakterien beginnen jedoch typischerweise damit, Ethylenglykol in Glykolaldehyd zu verwandeln, das dann weiter zu Glykolat und schliesslich zu Glyoxylat verarbeitet wird – wichtige Bestandteile eines zentralen Stoffwechselprozesses.

#Stoffwechselwege für Ethylenglykol

Bakterien haben einzigartige Wege, um Ethylenglykol abzubauen. Der häufigste Weg besteht darin, Ethylenglykol in Glykolaldehyd umzuwandeln, das dann in Glykolat umgewandelt wird. Dieses Glykolat kann zwei Hauptwege gehen: entweder ins zentrale Metabolismus über den Glyceratweg oder über den β-Hydroxyasparat-Zyklus.

Es gibt zwei identifizierte Wege zur Nettoassimilation von Glyoxylat. Der erste ist der Glyceratweg, der zwei Glyoxylatmoleküle in ein 2-Phosphoglyceratmolekül umwandelt, aber dabei Kohlendioxid freisetzt. Der zweite Weg, bekannt als β-Hydroxyasparat-Zyklus, ist ein effizienterer Weg, da er zwei Glyoxylatmoleküle in Oxalacetat umwandelt, ohne Kohlendioxid freizusetzen. Wegen seiner Effizienz wurde der β-Hydroxyasparat-Zyklus in Modellpflanzen und Bakterien für eine verbesserte Kohlenverarbeitung eingeführt.

#Forschung zu Paracoccus denitrificans

In dieser Studie konzentrierten sich die Forscher auf ein Bodenbakterium namens Paracoccus denitrificans. Dieses Bakterium kann effizient wachsen, indem es Ethylenglykol als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzt. Die Studie hatte zum Ziel, Enzyme in P. denitrificans zu finden, die beim Abbau von Ethylenglykol helfen.

Nach Tests des Wachstums des Bakteriums entdeckten die Forscher, dass es bei verschiedenen Ethylenglykol-Konzentrationen gedeihen konnte, mit der besten Wachstumsrate bei 400 mM. Das Wachstum war jedoch langsamer im Vergleich dazu, wenn es Glykolat oder Glyoxylat verwendete.

Um herauszufinden, welche Enzyme am Werk waren, analysierten die Wissenschaftler die Proteine, die vorhanden waren, als die Bakterien auf Ethylenglykol wuchsen, im Vergleich dazu, als sie auf Glyoxylat wuchsen. Sie stellten fest, dass viele Enzyme, die mit dem Stoffwechsel zu tun hatten, in der Anzahl abnahmen, als die Bakterien Ethylenglykol verwendeten. Sie entdeckten einen spezifischen Gencluster mit zwei wichtigen Enzymen, EtgB und EtgA, die beide von einem Molekül namens NAD abhängig sind.

#Charakterisierung von EtgB und EtgA

Die Forschung zeigte, dass EtgB eine Alkoholdehydrogenase ist, die effektiv Ethylenglykol in Glykolaldehyd umwandelt. Der nächste Schritt im Weg beinhaltet EtgA, das Glykolaldehyd in Glykolat oxidieren kann und dabei eine starke Aktivität in dieser Umwandlung zeigt.

Die Forscher schauten sich die Struktur dieser Enzyme mit Hilfe fortschrittlicher Bildgebungstechniken an, was Einblicke in deren Funktionsweise gab. Sie fanden heraus, dass die Enzyme gut geeignet waren, um ihre jeweiligen Substrate zu verarbeiten, und dass kleine Veränderungen in ihrer Struktur möglicherweise die Effizienz erhöhen könnten.

#Rolle von EtgC und dem Transkriptionsregulator EtgR

Die Studie untersuchte auch EtgC, ein kleineres Protein mit unbekannter Funktion. Durch die Schaffung von Bakterienstämmen, die dieses Gen nicht hatten, fanden die Wissenschaftler heraus, dass das Entfernen von EtgC das Wachstum auf Ethylenglykol nicht signifikant beeinflusste, obwohl die Bakterien in Umgebungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt Schwierigkeiten hatten, was darauf hindeutet, dass EtgC unter solchen Bedingungen eine Rolle spielen könnte.

Eine wichtige Entdeckung war EtgR, ein Transkriptionsregulator, der die Expression des etg-Genclusters aktiviert, wenn Ethylenglykol vorhanden ist. Das Löschen von EtgR hinderte das Bakterium stark daran, auf Ethylenglykol zu wachsen, was seine Bedeutung im Stoffwechselweg zeigt.

#Adaptive Labor-Evolution

Durch eine Reihe von Experimenten liessen die Forscher P. denitrificans über zehn Generationen hinweg an Ethylenglykol anpassen. Dieser Prozess führte zu Stämmen, die verbesserte Wachstumsraten zeigten. Genomanalysen zeigten Mutationen und Variationen im etgR-Gen, die wahrscheinlich die Expressionsniveaus des etg-Genclusters erhöhten.

Die weiterentwickelten Stämme wiesen konstant höhere Aktivitäten von EtgA und EtgB auf, was bestätigte, dass diese Enzyme tatsächlich zentral für die Fähigkeit des Bakteriums waren, effizient auf Ethylenglykol zu wachsen.

#Verbreitung des etg-Genclusters

Um zu bewerten, wie weit verbreitet die Nutzung des etg-Genclusters unter Bakterien ist, schauten sich die Wissenschaftler nach ähnlichen Genen in anderen Arten um. Sie fanden heraus, dass verwandte Cluster in vielen Bakterienarten existieren. Während einige Arten den gesamten etg-Gencluster hatten, wiesen andere Variationen davon auf.

Das deutet auf eine gemeinsame metabolische Fähigkeit verschiedener Bakterien hin und legt nahe, dass das Wissen, das aus der Untersuchung von P. denitrificans gewonnen wurde, nützlich sein könnte, um zu verstehen, wie andere Bakterien Ethylenglykol nutzen.

#Fazit zur Assimilation von Ethylenglykol

Ethylenglykol ist nicht nur ein gängiges Molekül, das in vielen Anwendungen verwendet wird; es hat auch Potenzial als Ausgangsstoff für mikrobielle Biotechnologien. Diese Forschung hebt hervor, wie P. denitrificans Ethylenglykol effektiv abbauen kann, dank einer Reihe von Enzymen und einem regulierenden System, das es dem Bakterium ermöglicht, sich anzupassen und in Umgebungen, in denen dieser Alkohol vorhanden ist, zu gedeihen.

Durch das Verständnis der Stoffwechselwege und der Rolle wichtiger Enzyme wie EtgB und EtgA können wir auf potenzielle biotechnologische Anwendungen hoffen. Diese könnten darin bestehen, Bakterien zu nutzen, um PET zu recyceln und Ethylenglykol in wertvolle Produkte umzuwandeln, wodurch nachhaltigere Praktiken im Umgang mit Plastikmüll gefördert werden.

Zukünftige Forschungen werden weiterhin mehr über diese Enzyme und ihre Anwendungen in der Biokatalyse und genetischen Modifikation aufdecken, um innovative Lösungen für Umweltprobleme zu ermöglichen.