Das erste Mal hörte ich davon Great Pacific Garbage Patch, ich dachte, es wäre ein schlechter Witz.

Meine Ungläubigkeit verwandelte sich bald in Entsetzen, als mir klar wurde, dass es real ist. Der Müllfleck, auch Pazifischer Müllstrudel genannt, ist eine riesige Ansammlung von Trümmern im Nordpazifik. Obwohl es sich um alle Arten von vom Menschen verursachten Abfällen handelt, sind die Hauptbestandteile sind winzige Mikroplastikstücke.

Von Strohhalmen bis hin zu Müllsäcken verwenden wir eine erstaunliche Menge Plastik – das oft in empfindlichen Ökosystemen des Ozeans (und anderer Ökosysteme) landet. Entsprechend der Zentrum für biologische Vielfalt, eine gemeinnützige Organisation zum Schutz gefährdeter Arten mit Sitz in Arizona, zu aktuellen Plastikpreisen soll überwiegen alle Fische im Meer bis 2050.

Eine neue Studie will mit synthetischer Biologie das Blatt wenden. Durch die Entwicklung genetischer Schaltkreise in einem bakteriellen „Konsortium“ programmierte das Team zwei Stämme um, um nicht nur umweltschädliche Kunststoffe zu zerstören, sondern auch den Giftmüll in nützliches biologisch abbaubares Material umzuwandeln. Diese umweltfreundlichen und vielseitigen Upcycling-Kunststoffe können zur Herstellung von Schaumstoffen, Klebstoffen oder sogar Nylon verwendet werden – und das alles, ohne die Umwelt zusätzlich zu belasten.

Die Strategie sei nicht nur auf das in der Studie getestete Polyethylenterephthalat (PET) – eine der häufigsten Kunststoffarten – beschränkt, so die Autoren. „Das zugrunde liegende Konzept und die Strategien sind möglicherweise auf andere Arten von Kunststoffen anwendbar“ und könnten den Weg zu „einer nachhaltigen Bioökonomie“ ebnen.

Ein natürliches Raubtier aus Plastik

Plastik hat zum Aufbau einer modernen Gesellschaft beigetragen. Es besteht aus Molekülketten, sogenannten Polymeren, ist formbar, vielseitig und wirtschaftlich in Massenproduktion herzustellen. Es ist auch bekanntermaßen schwierig, es aufzulösen.

Für Dr. James Collins vom MIT kann die synthetische Biologie uns dabei helfen, den Planeten nicht in eine Plastikwüste zu verwandeln. Die Studienautoren Collins und der Bioingenieur Dr. Ting Lu von der University of Illinois Urbana-Champaign, Pioniere bei der Entwicklung synthetischer Genschaltkreise, kamen zu dem Schluss, dass gentechnisch veränderte Bakterien das Plastikproblem direkt angehen könnten.

Obwohl Plastik für die meisten Organismen giftig ist, dient es bestimmten Arten von Bakterien und Pilzen als Energiequelle. Diese Bakterien kommen im Boden, im Meer und sogar im Darm von Tieren vor und nutzen sie spezialisierte Enzyme um verschiedene Arten von Kunststoffen zu zersetzen. Enzyme sind Proteine die biologische Prozesse auslösen oder beschleunigen – zum Beispiel bei der Verdauung einer kräftigen Mahlzeit oder bei der Umwandlung von Nahrung in Energie.

Leider sind diese natürlichen Stämme sind empfindlich Es ist temperatur- und säurebeständig und kann oft nur Plastik verdauen, das bereits durch UV-Licht oder Chemikalien beschädigt wurde. Sogar Stämme, die PET-Kunststoffe zersetzen können Dafür benötigen sie Wochen oder Monate und können nur kleine Volumina bewältigen.

Ein synthetisches Upgrade

Hier glänzt die synthetische Biologie. Wissenschaftler auf diesem Gebiet nutzen Gentechnik, um Organismen neue Fähigkeiten zu verleihen – zum Beispiel Bakterien, die Insulin produzieren können – oder sogar, um völlig neue Lebensformen aufzubauen, die es in der Natur noch nie gegeben hat.

Vor der jüngsten Studie hatten Wissenschaftler mehrere Enzyme identifiziert, die Bakterien verwenden, um Plastik zu fressen. Sie manipulierten diese Stoffwechselprozesse, indem sie genetisches Material einfügten oder löschten – zum Beispiel um ihre Fähigkeit, Plastik zu zerkleinern, zu beschleunigen oder um Enzyme hinzuzufügen, die verdaute Plastikabfälle in neue, umweltfreundlichere Polymere umwandeln.

Das war kein reibungsloser Ablauf. Ältere Methoden funktionieren bei einzelnen Bakterienstämmen. Doch bei großen Schmutzmengen sind die Bakterien oft überfordert. Zerkleinerte PET-Teile lagern sich im Inneren ab und hemmen den Stoffwechsel der Mikroben – was zu gesundheitlichen Schäden führt.

Dann ist da noch der technologische Buckel. Die Aufbereitung von Kunststoffabfällen in verwertbare Produkte erfordert aufwendige Gentechnik. Um dies zu erreichen, so erklärte das Team, mussten sie „fortgeschrittene Designerpfade“ entwickeln, die mehrere Enzyme miteinander verbinden, um das Endprodukt herzustellen. Wie die Leitung einer genetischen Symphonie erforderte diese synthetische Verbesserung eine Feinabstimmung der gesamten inneren Zellfunktionen der Bakterien – eine schwierige Aufgabe, wenn man einen einzelnen Stamm manipuliert.

Dennoch fragten sie sich, ob eine Sorte diese Aufgabe nicht effizient erfüllen kann. Wie wäre es mit Teamarbeit?

Eine Arbeitsteilung

In der Natur sehen wir, dass multispeziesische Mikrobengemeinschaften beim biologischen Abbau von Kunststoffen zusammenarbeiten, sagte das Team. Also erweiterten sie die bakterielle Arbeitskraft von einem synthetischen Stamm auf ein einfaches Ökosystem aus zwei.

Im Mittelpunkt dieses Ökosystems steht eine Arbeitsteilung. PET zerfällt in zwei Hauptbestandteile – Terephthalsäure und Ethylenglykol – mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften. Gemischte Nahrungsquellen sind die Achillesferse der Mikroben: Sie sind schreckliche Stoffwechsel-Multitasker, deren Abbauwege für ein Molekül oft die eines anderen unterdrücken.

Hier baute das Team sein dynamisches Duo aus zwei Stämmen von Pseudomonas putida auf, einem Cheetos-förmigen Bakterium, das häufig in verschmutztem Wasser und Boden vorkommt. Der eine Stamm hatte eine Vorliebe für Terephthalsäure, der andere für Ethylenglykol. Diese besondere Art von Bakterien ist ein Liebling der biologischen Abbauforschung, da sie auf natürliche Weise aromatische Moleküle wie Styrol verdaut, das häufig zur Herstellung von Kunststoffen und Gummi verwendet wird. Außerdem lässt es sich leicht genetisch manipulieren und kann sich an neue Stoffwechselwege anpassen, was die Sorte zu einem perfekten Ausgangspunkt macht.

In jedem natürlichen Stamm löschte das Team Gene, die an der Metabolisierung von Terephthalsäure oder Ethylenglykol beteiligt sind, und fügte Gene hinzu, die es ihnen ermöglichten, die andere Komponente zu konsumieren.

Das Ergebnis war ein bakterielles Tag-Team. Sie waren alle sehr effizient darin, ihr jeweiliges Plastikabfallprodukt zu fressen, und sie arbeiteten auch gut zusammen, wenn sie gemeinsam kultiviert wurden – keiner der Stämme beeinträchtigte die Ernährung des anderen. Beide hielten an ihrer eigenen Nahrungsquelle fest und lebten glücklich nebeneinander.

Zum Vergleich entwickelte das Team auch einen Multitasker-Stamm, der beide Plastiknebenprodukte frisst. Im Vergleich zum spezialisierten Tag-Team brauchte der einzelne Stamm sowohl einzeln als auch bei Verabreichung als Mischung viel länger, um den Abfall zu verdauen.

Vom Müll zum Schatz

Nachdem ihre Bakterien nun den Plastikmüll vollständig verdaut hatten, integrierte das Team als nächstes mehrere Gene, um ihn in neue Materialien umzuwandeln.

Zunächst haben sie beide Stämme neu verkabelt, um ein vielversprechendes biologisch abbaubares Polymer herzustellen. Die Strategie funktionierte außerordentlich gut. In einem viertägigen Test pumpten die beiden Stämme das gewünschte Polymer weitaus schneller aus als der einzelne Stamm – und produzierten dadurch bis zu 92 Prozent mehr davon.

In einem anderen Test produzierte das System effizient eine Chemikalie, die häufig zur Synthese von Kunststoff und Nylon verwendet wird – eine Chemikalie, die für einzelne Stämme bekanntermaßen nur schwer aus Kunststoffabfällen recycelt werden kann. Es waren nur ein paar genetische Austausche erforderlich, und durch Arbeitsteilung konnte die Zielchemikalie problemlos hergestellt werden.

Die Idee Das Upcycling von Plastikmüll ist nichts Neues. In der Vergangenheit haben Wissenschaftler Hitze, Kraft und Chemikalien eingesetzt, um Abfall zu zersetzen und ihn wieder in nutzbares Material umzuwandeln. Die Biokonversion bietet einen neuen, saubereren und effizienteren Weg. Alle Reaktionen finden innerhalb der Mikroben statt und verbinden den Abfallabbau direkt mit dem gewünschten Produkt in einem Schritt. Mikroben lassen sich auch leicht in Bottichen in Industriegröße kultivieren, was eine Skalierung des Kunststoff-Upcyclings ermöglicht.

Die Studie treibt diese Vision des Bio-Upcycling voran, indem sie den Prozess effizienter macht.

Eine wichtige Erkenntnis der Studie sei, so das Team, dass eine Arbeitsteilung besonders wichtig für die Feinabstimmung des PET-Upcycling-Prozesses sei. Sie gehen davon aus, dass im Zuge der Weiterentwicklung der Tools synthetische Bakterienökosysteme auch zur Bekämpfung anderer Kunststoffschadstoffe und -abfälle eingesetzt werden könnten.

Bild-Kredit: Marc Newberry / Unsplash

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• Quelle: https://singularityhub.com/2023/09/29/these-bacteria-eat-plastic-waste-and-then-transform-it-into-useful-products/