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Atomtausch macht plastikabbauende Enzyme leistungsfähiger
Präzisionsumbau statt Mutationsserie: Forscher haben PET-abbauende Enzyme an nur einem Atom verändert und damit ihren Plastikabbau deutlich gesteigert, ohne die thermische Stabilität messbar zu verschlechtern. Bei einer optimierten PETase erhöhte eine Variante den Abbau einer PET-Folie nach 72 Stunden um bis zu 90 Prozent. Der Ansatz könnte die Feinabstimmung industrieller Enzyme erweitern.
Canberra (Australien). PET ist robust, langlebig und deshalb als Verpackungs- und Textilkunststoff weit verbreitet. Genau diese Beständigkeit erschwert jedoch das Recycling. Bestimmte Hydrolasen können die Polyesterketten enzymatisch zerlegen, doch bei ihrer Optimierung entsteht oft ein Zielkonflikt: Mehr Beweglichkeit kann den Umsatz steigern, zugleich aber die Hitzestabilität verschlechtern. Frühere PET-abbauende Enzyme zeigen, wie stark sich diese Biokatalysatoren bereits verbessern lassen.
Ein Team der Australian National University (ANU) um Dr. Elwy H. Abdelkader hat nun untersucht, ob sich dieser Zielkonflikt mit einer extrem kleinen chemischen Änderung umgehen lässt. Statt ganze Aminosäuren auszutauschen, ersetzten die Forscher an einem konservierten Tryptophan nur eine CH-Gruppe durch ein Stickstoffatom. Dafür nutzten sie sogenannte Azatryptophane, nicht natürliche Varianten der Aminosäure Tryptophan, die sich genetisch gezielt in Proteine einbauen lassen.
Im Mittelpunkt stand ein Tryptophan im Bindungsspalt der PET-Hydrolasen. Seine Seitenkette kann zwischen verschiedenen räumlichen Lagen wechseln und beeinflusst damit offenbar, wie gut das Enzym PET bindet, umsetzt und Produkte wieder freigibt. Vergleiche von fünf leistungsfähigen PET-Hydrolasen zeigten zugleich, dass diese Beweglichkeit mit der thermischen Robustheit zusammenhängt. Besonders starre Varianten waren im Mittel hitzestabiler, während beweglichere Formen höhere Aktivität erreichen konnten.
Die Forscher ersetzten dieses Tryptophan deshalb durch 6- oder 7-Azatryptophan. Beide unterscheiden sich räumlich nur minimal vom natürlichen Baustein. Trotzdem veränderte der Austausch die chemischen Eigenschaften an der aktiven Stelle. Bei allen getesteten PET-Hydrolasen steigerte mindestens eine der beiden Varianten den Abbau amorpher PET-Folie. Am stärksten reagierte FAST-PETase: Nach 72 Stunden setzte die 7-Azatryptophan-Variante bei pH 8,0 rund 90 Prozent mehr PET-Bausteine frei als das Ausgangsenzym. Die 6-Azatryptophan-Variante erreichte 65 Prozent mehr.
„Statt ein Enzym mit vielen Mutationen neu zu entwerfen, können wir eine sehr kleine, gezielte Veränderung vornehmen und seine Funktion deutlich beeinflussen“, erklärt Dr. Elwy H. Abdelkader.
Entscheidend ist, dass dieser Aktivitätsgewinn nicht mit einem messbaren Verlust der Schmelztemperatur einherging. Die Azatryptophan-Substitutionen veränderten die gemessenen Schmelztemperaturen der Enzyme nicht signifikant. Bei einer flexibleren Hot-PETase-Variante verbesserten 6- und 7-Azatryptophan bei 60 Grad Celsius sogar die funktionelle Ausdauer, obwohl die Schmelztemperatur praktisch gleich blieb. Damit lässt sich Aktivität zumindest teilweise von klassischer thermischer Stabilität entkoppeln.
Um viele Enzymvarianten vergleichbar zu prüfen, entwickelte das Team zusätzlich den Fluoreszenztest PETra. Er verwendet ein lösliches PET-ähnliches Molekül und misst kontinuierlich, wie schnell dieses gespalten wird. So lassen sich wichtige kinetische Größen in Mikrotiterplatten bestimmen, während Tests mit fester PET-Folie deutlich aufwendiger sind.
Der Schnelltest erwies sich als aussagekräftig: Die mit PETra gemessene Umsatzrate korrelierte stark mit dem Abbau echter amorpher PET-Folie. Für die Beziehung zwischen katalytischer Umsatzrate und Folienabbau errechneten die Forscher ein Bestimmtheitsmaß von R² = 0,9382. PETra kann damit die Suche nach neuen Varianten beschleunigen, ohne den Test an realem PET vollständig zu ersetzen.
„Proteine sind unglaublich leistungsfähige Maschinen, aber bei ihrer technischen Veränderung sind wi