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Pac-Man-Bakterienenzym kann Plastik spalten
Ein neu entdecktes Bakterienenzym zerlegt bestimmte biologisch abbaubare Polyester und kann zugleich Beta-Laktam-Antibiotika hydrolysieren. Forscher haben es in Waldboden-Mikroorganismen aufgespürt und seine Doppelaktivität mit Strukturmodellen sowie Labortests bestätigt. Die Arbeit zeigt damit eine unerwartete Verbindung zwischen Plastikabbau und Antibiotika-Abwehr, beweist aber noch nicht, dass das Enzym Bakterien im Boden tatsächlich resistent macht.
Konstanz (Deutschland). Plastik wird in der Umwelt zwar von Mikroorganismen besiedelt, viele verbreitete Kunststoffe wie Polyethylen bleiben biologisch aber kaum angreifbar. Anders ist es bei Polyestern mit spaltbaren Esterbindungen. Solche Materialien können Mikroben grundsätzlich enzymatisch zerlegen, doch welche Enzyme dabei in natürlichen Böden entscheidend sind, ist noch wenig bekannt.
Auf Kunststoffoberflächen entsteht dabei die sogenannte Plastisphäre, ein eigener mikrobieller Lebensraum. Auffällig ist, dass dort häufig auch Gene für Antibiotikaresistenzen vorkommen. Ob Plastikabbau und Antibiotika-Abwehr bei einzelnen Enzymen direkt zusammenhängen können, war bislang weitgehend offen.
Forscher der KU Leuven um Dr. Harry Lerner haben nun die mikrobielle Zersetzung langkettiger aliphatischer Polyester (LCAP) in Waldboden untersucht. Das Team vergrub LCAP-Folien im Humus des Botanischen Gartens der Universität Konstanz und setzte parallel Boden-Mikrokosmen mit mehreren Kunststoffpulvern an.
„Wir vergruben kleine Stücke LCAP-Bioplastikfolie in der oberen Humusschicht des Waldes im Botanischen Garten der Universität, etwa zehn Zentimeter tief“, erklärt Dr. Harry Lerner.
Im Labor ergänzten die Forscher jeweils ein Gramm Waldboden mit 50 Milligramm Polymerpulver und maßen über mehr als 300 Tage die CO₂-Freisetzung. Neben drei LCAP-Varianten dienten Polycaprolacton und ein weiterer biologisch abbaubarer Polyester als Referenzen, hochdichtes Polyethylen (HDPE) als schwer abbaubare Kontrolle und Zellulose als natürliche Referenz. Nach 66 Tagen gab das Team Mineralstoffe zu, weil die Atmung in mehreren Ansätzen offenbar durch Nährstoffmangel begrenzt war.
„In dieser Schicht findet nämlich der Abbau von Zellulose und von anderen natürlichen Polymeren wie Cutin, einem pflanzlichen Polyester, statt“, erklärt Dr. Harry Lerner.
Nach rund 250 Tagen waren bei PE-18,18 und PE-2,18 zwischen 49 und 58 Prozent des eingesetzten Kohlenstoffs als CO₂ freigesetzt. Die Autoren werten dies als Hinweis auf nahezu vollständigen mikrobiellen Umsatz, weil bei aerobem Wachstum ein erheblicher Teil des Kohlenstoffs in Biomasse eingeht. PE-12,12 blieb dagegen bei etwa 22 Prozent, Polycaprolacton erreichte bis Tag 318 rund 53 Prozent. HDPE lag maximal bei drei Prozent.
Die im Wald vergrabenen Folien zeigten nach knapp 15 Monaten zwar Löcher und Materialverlust, blieben makroskopisch aber intakt. Die Autoren führen den schwächeren Abbau im Freiland unter anderem auf die sehr trockenen Bedingungen während des Versuchs zurück. Die zellgroßen Vertiefungen brachten sie auf die Hypothese, dass bestimmte Depolymerasen direkt an oder nahe der Bakterienoberfläche arbeiten.
Die Sequenzdaten aus den Bodenproben lieferten 2.624 Gene mit Ähnlichkeit zu bekannten Plastik-Depolymerasen. Drei Kandidaten passten besonders gut zu den Mikroben, die sich in den LCAP-Ansätzen vermehrten. Einer davon, ein Gen aus der Ordnung Acidobacteriales, fiel zusätzlich durch ein Sekretionssignal, einen Lipidanker und eine strukturelle Nähe zu Beta-Laktamasen auf. Die Forscher bezeichneten das zugehörige Enzym als Long-Chain Polyester Hydrolase 1 (LCPH1).