Investigation of PET-degrading enzymes and their implications on microplastics

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Weigert, Sebastian:
Investigation of PET-degrading enzymes and their implications on microplastics.
Bayreuth , 2022 . - IV, 112 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006729

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Abstract

Kunststoffe, umgangssprachlich auch Plastik genannt, sind einige der bedeutendsten Materialen unserer modernen Welt. Faktoren, die diesen Siegeszug begünstigten, waren überzeugende Materialeigenschaften wie hohe mechanische Stärke, Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Vielzahl von Einflüssen, geringes Gewicht sowie letztlich auch eine kostengünstige Produktion. Ein mangelhaftes Abfallmanagement kombiniert mit einer Jahresproduktion von über 300 Millionen Tonnen bedingt jedoch zwangsläufig in einem massiven Abfluss von Plastikmüll in die Umwelt. Aufgrund der hohen Stabilität kann das Material dort für Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte überdauern. Trotzdem unterliegt das Material dort biotischen und abiotischen Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit, UV-Strahlung und mechanischem Stress, welche einen stetigen Fragmentierungsprozess in Gang setzen, der letztlich zur Entstehung von Mikro- und Nanoplastik führt. Diese mikroskopischen Kunststoffpartikel trugen zu einer Neubewertung der Dringlichkeit von Plastikverschmutzung bei, da sie Datenfelder EPub Bayreuth allgegenwärtig sind und Studien negative Effekte jener Partikel auf die Vitalität verschiedenster Lebewesen nachweisen konnten. Die Entdeckung von Enzymen, welche in der Lage sind, Kunststoffe abzubauen, eröffnete dabei sowohl neue Perspektiven für die Eliminierung von Plastikverschmutzung in der Umwelt als auch für die Entwicklung neuer Recyclingprozesse.
Polyethylenterephthalat (PET) ist ein Standardkunstoff, der eine Grundgerüst aus Heteroatomen besitzt, welches die enzymatische Hydrolyse begünstigt. Folglich konnten mittlerweile einige PETabbauende Enzyme identifiziert werden. Die IsPETase nimmt dabei eine prominente Rolle ein, da es seinem Ursprungsorganismus Ideonella sakaiensis die Fähigkeit verleiht, PET als Energiequelle zu nutzen. Kürzlich wurde in einer Studie außerdem eine optimierte Variante der PET Hydrolase LCC präsentiert, welche herausragende Abbauraten für PET erreicht. Mit Hilfe dieses Enzyms konnten die Autoren außerdem einen vollständigen Recyclingprozess demonstrieren, was das Potential enzymatischer Anwendungen unterstreicht.
Im Rahmen dieser Dissertation werden drei Forschungsarbeiten präsentiert, welche sich alle im Bereich von PET-abbauenden Enzymen bewegen. In der ersten Studie entwickelten wir eine neue Screening Plattform, die auf dem neuartigen Aufbringen eines PETFilms als Substrat auf Standard-Laborartikeln basiert. In Kombination mit verbesserter Komptabilität hinsichtlich Lysatbasierter Anwendungen ergibt sich ein äußerst nützliches und für Hochdurchsatzanwendungen geeignetes Werkzeug zur Charakterisierung neuer PET-abbauenden Enzyme. Auf Basis dieser Plattform wurde das Enzym PET6 von Vibrio gazogenes untersucht, welches eine bemerkenswerte Anpassung an seine salzhaltige Umgebung zeigt, wobei hohe Salzkonzentrationen das Enzym stabilisieren und den PET-Abbau verbessern. Trotz vergleichsweiser geringer Aktivität ist PET6 dabei im Hinblick auf Plastikabbau in der Umwelt von Interesse, da V. gazogenes weltweit in salzhaltigen Ökosystemen verbreitet ist, die auch für ihre hohe Mikroplastikbelastung bekannt sind. In einer weiteren Studie konnten wir außerdem zeigen, dass der Einfluss von enzymatischem Abbau auf die Materialeigenschaften von PET einen größeren Einfluss hat als die Quantifizierung löslicher Abbauprodukte vermuten lässt. Eine besondere Rolle schreiben wir hierbei dem wasserunlöslichen BHETDimer zu, welches wir in den oberen Schichten des Materials nachweisen konnten. Wir vermuten, dass diese Substanz die innere Struktur von PET schwächt und dadurch die überproportionale Schwächung der mechanischen Eigenschaften von PET auslöst, welche wir nach enzymatischem Kontakt messen konnten. Daher könnte enzymatischer Abbau eine entscheidende Rolle bei der Fragmentierung von PET in der Umwelt spielen.
Die hier gezeigten Arbeiten, und darin entwickelten Methoden, leisten damit einen Beitrag zur weiteren Erforschung PETabbauender Enzyme und ermöglichen ein besseres Verständnis der Auswirkungen von biotischen Faktoren auf Plastik in der Umwelt.

Abstract in weiterer Sprache

Plastic is one of the key materials in our modern world. Its inexpensiveness combined with forceful material properties, such as lightweight, high mechanical strength, and resistance to various factors, fired its demand over the last decades. However, insufficient waste management combined with production rates of over 300 million tons result in vast amounts of plastic waste escaping into the environment. Unlike other materials, plastic can persist in the environment for decades or centuries due to its durability. However, biotic and abiotic factors, such as UV radiation, humidity, and mechanical stress, act on the material during its way through various environments, gradually fragmenting it down to microplastic or even nanoplastic particles. These tiny particles raised awareness towards worldwide plastic pollution as they can be found ubiquitously and show severe adverse effects on various organisms. Consequently, plastic, especially micro- and nanoplastic, is seen as a global and urgent threat that requires an immediate answer. In this context, the discovery of enzymes that act on these recalcitrant materials opened a new perspective for the decomposition of plastic in the environment as well as for technical recycling applications.
Polyethylene terephthalate (PET) is a commodity plastic that features a heteroatom backbone that facilitates enzymatic attack. Hence, several enzymes could be identified and characterized to degrade PET efficiently. A prominent enzyme in this context is PETase which enables its host Ideonella sakaiensis to use PET as an energy source, demonstrating the materials’ breakdown in natural environments. A recent study presented an engineered variant of the PET hydrolase LCC with enhanced PET degradation capability. Its successful application in a large-scale full recycling process further illustrates the potential of those enzymes.
As part of this thesis, three publications are presented in the scope of PET degrading enzymes. For efficient analysis and characterization, we developed a screening platform featuring a new substrate provisioning by applying PET films on lab consumables. In combination with improved capabilities for screening in lysate, the assay features a useful, high-throughput-compatible tool for the
characterization of new PET degrading enzyme variants. With this experimental basis, the enzyme PET6 from Vibrio gazogenes was investigated, which revealed a remarkable adaptation towards its saline origin. PET6 is stabilized by elevated salt concentrations, which also promotes PET degradation. Despite comparably low degradation rates, PET6 is an interesting candidate for natural PET decomposition due to the ubiquitous prevalence of V. gazogenes, especially in marine environments with typically high plastic
concentrations. In another study, we could show that enzymatic activity of IsPETase has an even higher impact on material properties than tracking of soluble degradation suggests. We propose that the presence of the insoluble degradation product BHET dimer, which we found in near-surface layers, weakens the internal composition of Datenfelder EPub Bayreuth the material. This could explain why PET experiences disproportional embrittlement upon enzymatic attack. Hence microbial and enzymatic processes could have a decisive influence on the fragmentation process of PET in natural environments.
The work shown here and the methods developed therein thus contribute to future research on PET-degrading enzymes and provide a better understanding of the effects of biotic factors on plastics in the environment.