Wissenschaftler der Universität Konstanz haben ein bahnbrechendes Enzym in Bakterien identifiziert, das das Potenzial hat, Polyester-Plastik abzubauen und gleichzeitig Antibiotika wie Penicillin zu zersetzen. Dieses neu entdeckte Enzym, das aufgrund seiner spezifischen Struktur als „Pac-Man Enzym“ bezeichnet wird, könnte wichtige Fortschritte im Bereich des mikrobiellen Plastikabbaus und der Erforschung von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt ermöglichen.
Die Problematik des Plastikmülls ist alarmierend: In den Ozeanen sammeln sich immense Mengen an Plastikabfällen, die als „Great Garbage Patches“ bekannt sind und gravierende Folgen für die dort lebenden Organismen haben. Traditionelle synthetische Kunststoffe sind biologisch nur sehr schwer abbaubar, was dazu führt, dass sie sich in kleinere Partikel, sogenannte Mikro- und Nanoplastik, zersetzen, die die Umwelt weiter belasten. Mikroben besiedeln diese Plastikpartikel und schaffen eine spezielle mikrobielle Umgebung, die als „Plastisphäre“ bezeichnet wird.
Das Forschungsteam um die beiden Biologen Harry Lerner und David Schleheck hat nun ein Enzym entdeckt, das nicht nur in der Lage ist, bestimmte Arten von Polyester und biologisch abbaubarem Kunststoff zu zersetzen, sondern den Bakterien auch eine Resistenz gegen Antibiotika verleiht. Die Struktur des Enzyms, das ein weit geöffnetes aktives Zentrum aufweist, ermöglicht es ihm, große Polymerstrukturen zu spalten.
In ihrer Studie haben die Forscher Bioplastikmaterialien verwendet, die von Chemikern entwickelt wurden, und die mikrobielle Zersetzung dieser Materialien untersucht. Sie vergruben kleine Stücke des Bioplastiks in der obersten Erdschicht eines Waldes und führten gleichzeitig Laboruntersuchungen durch. Diese wertvollen Erkenntnisse wurden in der Fachzeitschrift „The ISME Journal“ veröffentlicht.
Die Experimente zeigten, dass die im Wald vergrabenen Bioplastikstücke über einen Zeitraum von einem Jahr abgebaut wurden. Dabei entdeckten die Wissenschaftler mikroskopisch kleine Löcher in den Folien, die die Form und Größe einzelner Bakterienzellen hatten. Ihre Hypothese besagt, dass Bakterien mit Enzymen, die an ihre Zelloberfläche gebunden sind, in der Lage sind, das Plastik zu zersetzen und dabei kleine Löcher in das Material zu fressen.
Um die an diesem Prozess beteiligten Mikroben zu identifizieren, extrahierten die Forscher die DNA der Mikroben aus den Bodenproben und analysierten die genetischen Informationen. Dabei fanden sie ein Gen, das in Verbindung mit dem LCAP-Bioplastik stark angereichert war. Dieses Gen kodiert für ein Esterase-Enzym, das sowohl ein Sekretionssignal als auch einen Membrananker besitzt. Diese Eigenschaften ermöglichen es dem Enzym, an der Zelloberfläche der Bakterien zu haften und seine Funktion auszuüben.
Das Besondere an diesem Enzym ist seine Doppelfunktion: Es kann sowohl Polyester in einfachere Bausteine zerlegen als auch den β-Laktam-Ring von Antibiotika wie Penicillin aufspalten. Diese Entdeckung könnte bedeutende Auswirkungen auf unsere Fähigkeit haben, Plastikmüll in der Natur abzubauen und gleichzeitig die Entstehung von Antibiotikaresistenzen zu verstehen.
Professor Schleheck betont, dass die Plastisphäre ein neuer Lebensraum für Mikroben ist, der erst seit relativ kurzer Zeit durch menschliche Aktivitäten entstanden ist. Die bisherigen synthetischen Materialien waren für die Mikroben kaum abzubauen, doch das „Pac-Man Enzym“ könnte die Situation verändern. Es zeigt, dass sich Bakterien möglicherweise schneller auf den Abbau von Kunststoff spezialisieren, als bisher angenommen.
Die Entdeckung dieses Enzyms könnte einen entscheidenden Schritt im Kampf gegen Plastikmüll darstellen. Um den Bakterien zu helfen, sollten Menschen in Zukunft bevorzugt biologisch abbaubare Kunststoffe verwenden, die eine ähnliche Struktur wie die von den Mikroben abgebauten Materialien aufweisen.
Insgesamt zeigt diese Forschung, dass es möglich ist, durch das Verständnis mikrobieler Prozesse innovative Lösungen für die drängenden Umweltprobleme unserer Zeit zu finden. Das neu entdeckte „Pac-Man Enzym“ könnte ein Schlüssel zu einer nachhaltigeren Zukunft sein, in der Plastikmüll effektiver abgebaut wird und die Umwelt weniger belastet wird.
