Eine Forschergruppe an der Universität Austin (Texas) hat ein natürliches Enzym dahingehend modifiziert, dass es Bakterien ermöglicht, PET-Kunstharze abzubauen. Der Enzym-Mutation haben sie den Namen „FAST-PETase“ verliehen. Dabei steht „FAST“ für „functional, active, stable, and tolerant“. Über maschinelles Lernen konnten die Forscher:innen das besonders effiziente Enzym erzeugen, dessen Wirksamkeit sie nun im Magazin Nature bewiesen haben.
Abbau in Stunden und Tagen statt Jahrhunderten
Das Team an der Cockrell School of Chemical Engineering hat sich auf eine der meistverbreiteten Plastiksorten konzentriert: PET. Das steht für Polyethylenterephthalat und gehört zur Gruppe thermoplastischer Kunstharze. Das Polymer wird in Kleidung und den meisten (Getränke-)Verpackungen verwendet. Es macht zwölf Prozent des globalen Abfalls aus. Die „FAST-PETase“ konnte den Kunststoff in seine kleinsten Bestandteile zerlegen – die sogenannte Depolymerisation. Zusätzlich war es ihm möglich, die Monomere anschließend wieder zusammenzusetzen. Dieser Prozess heißt Repolymerisation.
Die Forscher:innen zeigen in einem 48-Stunden-Zeitraffer, wie ihre Enzyme eine Plastikverpackung auflösen. (Video: University of Texas, Austin)
Maschinelles Lernmodell schlägt Mutationen vor
Den Wissenschaftler:innen gelang im interdisziplinären Teamwork, ein maschinelles Lernmodell zu entwickeln, das verschiedene Mutationen durchspielt. Am Ende schlug es die besten Kombinationen vor, um eine schnelle Depolymerisierung der PET-Abfälle bei niedrigen Temperaturen zu erreichen. Sie erprobten die Design-Enzyme anhand von 51 Kunststoffbehältern und fünf verschiedenen Polyesterfasern und -geweben. Andrew Ellington vom Center für Systeme und synthetische Biologie leitete die Entwicklung des Lernmodells. Er sagte: „Diese Arbeit zeigt, wie gut es ist, verschiedene Disziplinen zusammenzubringen, von der synthetischen Biologie über die chemische Technik bis hin zur künstlichen Intelligenz.“
Recyclingquote bisher minimal
Plastikmüll wird zurzeit nur zu zehn Prozent wiederverwertet. Stattdessen deponiert oder verbrennt man die Kunststoffe. Das ist kostspielig, energieintensiv und umweltschädlich. Die aktuellen Recycling-Methoden wie Glycolyse, Pyrolyse und Methanolyse sind ebenfalls sehr energieaufwendig und noch teurer. Bei der biologischen Methode war bisher das Problem, dass die Enzyme nur bei hohen Temperaturen effizient arbeiteten. Die „FAST-PETase“ kann hingegen bei weniger als 50 Grad ihre Arbeit absolvieren. Als nächsten Schritt wollen die Entwickler:innen die Enzymproduktion steigern und zur industrielle Anwendung bringen. Sie prüfen zudem eine Reihe von Möglichkeiten, um die Enzyme zur Umweltsanierung einzusetzen. Sie sollen dann verschmutzte Standorte in der Natur reinigen.
