De eerste keer dat ik hoorde over de Great Pacific Garbage Patch, Ik dacht dat het een slechte grap was.

Mijn ongeloof veranderde al snel in afschuw toen ik besefte dat het echt was. De garbage patch, ook wel bekend als de Pacific trash vortex, is een enorme verzameling puin in de noordelijke Stille Oceaan. Hoewel het bestaat uit allerlei soorten door de mens gegenereerd afval, is de De belangrijkste componenten zijn kleine stukjes microplastic.

Van rietjes tot vuilniszakken: we gebruiken een verbazingwekkende hoeveelheid plastic, dat vaak in kwetsbare oceaan- (en andere) ecosystemen terechtkomt. Volgens de Centrum voor biologische diversiteit, een non-profitorganisatie voor de bescherming van bedreigde diersoorten, gevestigd in Arizona, tegen de huidige tarieven van plastic is ingesteld om zwaarder te wegen alle vissen in de oceaan in 2050.

Een nieuwe studie wil het tij keren met synthetische biologie. Door genetische circuits in een bacterieel ‘consortium’ te construeren, heeft het team twee stammen geherprogrammeerd om niet alleen vervuilende kunststoffen te vernietigen, maar ook om het giftige afval om te zetten in nuttig biologisch afbreekbaar materiaal. Deze geüpcyclede kunststoffen zijn milieuvriendelijk en veelzijdig en kunnen worden gebruikt voor de productie van schuim, lijm of zelfs nylon, allemaal zonder het milieu verder te belasten.

De strategie beperkt zich niet alleen tot het polyethyleentereftalaat (PET) – een van de meest voorkomende soorten plastic – dat in het onderzoek werd getest, aldus de auteurs. “Het onderliggende concept en de onderliggende strategieën zijn potentieel toepasbaar… op andere soorten kunststoffen” en zouden de weg kunnen wijzen naar “een duurzame bio-economie.”

Een natuurlijk plastic roofdier

Plastic heeft bijgedragen aan de opbouw van de moderne samenleving. Gemaakt van moleculaire ketens die polymeren worden genoemd, is het kneedbaar, veelzijdig en economisch in massaproductie. Het is ook notoir moeilijk om af te breken.

Volgens Dr. James Collins van MIT kan synthetische biologie ons helpen voorkomen dat de planeet in een plastic woestenij verandert. Pioniers op het gebied van de engineering van synthetische gencircuits, studieauteurs Collins en bio-ingenieur Dr. Ting Lu van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign redeneerden dat genetisch gemanipuleerde bacteriën het plastic raadsel frontaal zouden kunnen aanpakken.

Hoewel giftig voor de meeste organismen, is plastic een energiebron voor bepaalde soorten bacteriën en schimmels. Deze bacteriën worden aangetroffen in de bodem, de oceaan en zelfs in de ingewanden van dieren gespecialiseerde enzymen verschillende soorten plastic afbreken. Enzymen zijn eiwitten die biologische processen in gang zetten of versnellen – bijvoorbeeld door ons te helpen een flinke maaltijd te verteren of voedsel om te zetten in energie.

Helaas zijn dit natuurlijke soorten zijn gevoelig aan temperatuur en zuurgraad en kan vaak alleen plastic verteren dat al is beschadigd door UV-licht of chemicaliën. Zelfs soorten die PET-plastics kunnen afbreken hebben hiervoor weken of maanden nodig en kunnen slechts kleine volumes aan.

Een synthetische upgrade

Hier schittert de synthetische biologie. Wetenschappers in het veld gebruiken genetische manipulatie om organismen nieuwe mogelijkheden te geven – bijvoorbeeld bacteriën die insuline kunnen produceren – of zelfs om geheel nieuwe levensvormen te bouwen die nog nooit eerder in de natuur zijn gezien.

Voorafgaand aan het recente onderzoek hadden wetenschappers meerdere enzymen in kaart gebracht die bacteriën gebruiken om plastic te eten. Ze sleutelden aan die metabolische processen door genetisch materiaal in te voegen of te verwijderen, bijvoorbeeld om hun vermogen om plastic te verslinden te versnellen of om enzymen toe te voegen die verteerd plastic afval omzetten in nieuwe, groenere polymeren.

Dit is geen soepele operatie geweest. Oudere methoden werken op afzonderlijke bacteriestammen. Maar wanneer ze worden geconfronteerd met grote hoeveelheden puin, worden de bacteriën vaak overweldigd. Afgebroken stukjes PET hopen zich intern op en remmen het metabolisme van de microben, waardoor hun gezondheid wordt geschaad.

Dan is er de technologische bult. Het opwaarderen van plastic afval tot bruikbare producten vereist complexe genetische manipulatie. Om dit te bereiken, legde het team uit, moesten ze ‘geavanceerde ontwerptrajecten’ bouwen die meerdere enzymen met elkaar verbinden om het eindproduct te produceren. Net als bij het regisseren van een genetische symfonie, vereiste deze synthetische upgrade een verfijnde afstemming van de interne cellulaire werking van de bacterie – een prestatie die al moeilijk genoeg is bij het manipuleren van één enkele soort.

Toch vroegen ze zich af of één soort het werk niet efficiënt zou kunnen doen. Hoe zit het met teamwerk?

Een taakverdeling

In de natuur zien we dat microbiële gemeenschappen met meerdere soorten samenwerken bij de biologische afbraak van plastic, aldus het team. Dus breidden ze het bacteriële personeelsbestand uit van één synthetische soort naar een eenvoudig ecosysteem van twee.

De kern van dit ecosysteem is een arbeidsverdeling. PET valt uiteen in twee hoofdcomponenten – tereftaalzuur en ethyleenglycol – met enorm verschillende eigenschappen. Gemengde voedselbronnen zijn de achilleshiel van de microben: het zijn vreselijke metabolische multitaskers, waarbij de routes voor het afbreken van het ene molecuul vaak die van een ander molecuul onderdrukken.

Hier bouwde het team hun dynamische duo uit twee stammen van Pseudomonas putida, een Cheetos-vormige bacterie die vaak wordt aangetroffen in vervuild water en bodem. De ene soort had een voorliefde voor tereftaalzuur, de andere voor ethyleenglycol. Dit specifieke type bacterie is een favoriet in onderzoek naar biologische afbraak, omdat het op natuurlijke wijze aromatische moleculen verteert, zoals styreen, dat veel wordt gebruikt om kunststoffen en rubber te maken. Ze is ook gemakkelijk genetisch te manipuleren en kan zich aanpassen aan nieuwe metabolische routes, waardoor de soort een perfect startpunt is.

In elke natuurlijke stam verwijderde het team genen die betrokken zijn bij het metaboliseren van tereftaalzuur of ethyleenglycol en voegde genen toe waardoor ze de andere component konden consumeren.

Het resultaat was een bacterieel tag-team. Ze waren allemaal zeer efficiënt in het eten van hun respectievelijke plastic afvalproduct, maar werkten ook goed samen als ze samen werden gekweekt; geen van beide soorten remde het dieet van de ander. Beiden hielden vast aan hun eigen voedselbron en bloeiden gelukkig naast elkaar.

Ter vergelijking: het team heeft ook een multitaskersoort ontwikkeld die beide plastic bijproducten eet. Vergeleken met het gespecialiseerde tag-team duurde het veel langer om het afval van de enkele soort te verteren, zowel individueel als wanneer het als een mix werd gegeven.

Prullenbak naar schat

Nu de bacteriën het plastic afval volledig hadden verteerd, integreerde het team vervolgens verschillende genen om het in nieuwe materialen te transformeren.

Ten eerste hebben ze beide stammen opnieuw bedraad om een ​​veelbelovend biologisch afbreekbaar polymeer te produceren. De strategie werkte uitzonderlijk goed. In één test die vier dagen duurde, pompten de twee stammen het gewenste polymeer in een veel hoger tempo naar buiten dan de enkele stam, waardoor er tot wel 92 procent meer van werd geproduceerd.

In een andere test produceerde het systeem op efficiënte wijze een chemische stof die vaak wordt gebruikt om plastic en nylon te synthetiseren; een chemische stof die voor afzonderlijke soorten moeilijk te upcyclen is met behulp van plastic afval. Het enige dat nodig was, waren een paar genetische uitwisselingen, en de arbeidsverdeling leverde gemakkelijk de beoogde chemische stof op.

Het idee van Het upcyclen van plastic afval is niet nieuw. In het verleden hebben wetenschappers hitte, kracht en chemicaliën gebruikt om afval af te breken en opnieuw op te bouwen tot bruikbaar materiaal. Bioconversie biedt een nieuw, schoner en efficiënter pad. Alle reacties vinden plaats in de microben, waardoor de afbraak van afval in één stap rechtstreeks wordt gekoppeld aan het gewenste product. Microben zijn ook gemakkelijk te kweken in industriële vaten, waardoor het mogelijk wordt om de upcycling van plastic op te schalen.

De studie bevordert deze visie op bio-upcycling door het proces efficiënter te maken.

Een belangrijk inzicht uit het onderzoek is volgens het team dat een taakverdeling vooral belangrijk is voor het verfijnen van het PET-upcyclingproces. Naarmate de instrumenten zich verder ontwikkelen, geloven zij dat synthetische bacteriële ecosystemen ook kunnen worden gebruikt om andere plasticverontreinigende stoffen en afval aan te pakken.

Krediet van het beeld: Marc Newberry / Unsplash

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/09/29/these-bacteria-eat-plastic-waste-and-then-transform-it-into-useful-products/