Gezielte Entwicklung materialbindender Peptide für den Polymilchsäure-spezifischen Abbau in gemischten Kunststoffabfällen

31.10.2023
  Yi Lu © biotec

Lu, Y., Hintzen, K. W., Kurkina, T., Ji, Y., Schwaneberg, U., ACS Catalysis. https://doi.org/10.1021/acscatal.3c02142.

Das Materialbindepeptid (MBP) Cg-Def wurde mittels KnowVolution-Kampagne optimiert und die erzeugte Variante Cg-Def YH (L9Y/S19H) zeigte eine um das Zweifache verbesserte Bindungsspezifität für Polymilchsäure (PLA) gegenüber Polystyrol (PS). Die genetische Fusion von Cg-Def YH mit einem PLA-abbauenden Enzym bestätigte den schnelleren PLA-Abbau (zweimal höher als nur das Enzym) in PLA/PS-Kunststoffgemischen.

Kunststoffe sind in unserem täglichen Leben weit verbreitet und werden in großen Mengen hergestellt. Kommerziell genutzte Kunststoffe umfassen hauptsächlich Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyethylenterephthalat (PET) und Polyurethan (PU) und werden größtenteils aus fossilen Brennstoffen hergestellt. Ein verantwortungsvoller Umgang von Kunststoffabfällen zur Reduzierung ihrer Risiken für lebende Organismen und Menschen ist wichtig. Angesichts der mit dem Klimawandel verbundenen Risiken plädieren Forscher für eine Umstellung von herkömmlichen und auf petrochemischer Basis hergestellten Kunststoffen hin zu Biokunststoffen aus erneuerbaren Materialien sowie für die Umsetzung von Kreislaufwirtschaftsstrategien. Polymilchsäure (PLA), ein Polyester, der aus erneuerbaren Quellen wie Stärke oder Zucker hergestellt wird, ist von seiner Leistung her ein attraktiver und alternativer Biokunststoff. PLA wird häufig mit anderen petrochemischen Polymeren wie Poly(ε-caprolacton) (PCL), Polybutylensuccinat (PBS), thermoplastischer Stärke (TPS), PE, PP und PS gemischt, um die Hydrophobie und das mechanische Verhalten zu optimieren sowie die Produktionskosten zu senken. Die vorliegende Arbeit zeigt ein Konzept zum beschleunigten PLA-Abbau in einer gemischten Suspension aus PLA- und PS-Nanopartikeln unter Verwendung eines optimierten Materialbindepeptids (MBP). Nach dem Vergleich der PLA-Bindungseigenschaften von 20 MBPs wurde Cg-Def aufgrund seiner PLA-Bindungsspezifität ausgewählt. Anschließend wurde ein robustes Hochdurchsatz-Screeningsystem entwickelt, um die materialspezifische Bindung von Cg-Def an PLA in Gegenwart von PS zu verbessern. Mittels KnowVolution-Kampagne wurde die Cg-Def YH Variante (L9Y/S19H) mit einer 2,0-fach verbesserten PLA-Bindungsspezifität im Vergleich zu PS generiert. Kontaktwinkelmessung und Oberflächenplasmonresonanz-Spektroskopie bestätigen die verbesserte Oberflächenbedeckung von Cg-Def YH auf der PLA-Oberfläche. Die genetische Fusion von Cg-Def YH mit einem PLA-abbauenden Enzym beschleunigt den PLA-Abbau (doppelt so effektiv im Vergleich zum freien Enzym) in PLA/PS-Kunststoffengemischen.

Yi Lu wird finanziell durch ein Stipendium des China Scholarship Council (CSC) unterstützt. Diese Arbeit wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 870294 (Projekt MIX-UP) unterstützt.

Um mehr zu erfahren, lesen Sie bitte das vollständige Dokument zu Veröffentlichungen und Patenten und

Lu, Y., Hintzen, K. W., Kurkina, T., Ji, Y., Schwaneberg, U., ACS Catalysis.
doi.org/10.1021/acscatal.3c02142

 
  PLA-specific degradation © ACS Catalysis
 
 

Abbildung  1. PLA-spezifischer Abbau in PLA/PS-Mischkunststoffen mit Hilfe spezifischer MBPs. Durch die KnowVolution-Strategie verfügt die optimierte Cg-Def-Variante über eine verbesserte PLA-Bindungsspezifität im Vergleich zu PS und verbessert dadurch den PLA-Abbau in gemischten PLA/PS-Kunststoffabfällen. (PLA: Polymilchsäure; MBPs: Materialbindepeptide; PS: Polystyrol.