Bacteriën in bosgrond eten bioplastic met een 'Pac-Man-enzym' dat ook penicilline onschadelijk maakt
Onderzoekers van de Universiteit Konstanz begroeven bioplastic in bosgrond en vonden het enzym waarmee bacteriën het opeten. Dat enzym blijkt ook penicilline onschadelijk te maken. Die ontdekking helpt bij beter afbreekbaar plastic en bij onderzoek naar resistentie.
Plastic dat in de natuur belandt, blijft daar vaak honderden jaren liggen. Gewoon polyetheen, het plastic van bijvoorbeeld boterhamzakjes en flessendoppen, wordt door bacteriën en schimmels bijna niet afgebroken. Daarom werken scheikundigen aan plastic dat net zo bruikbaar is, maar in de natuur wél kan verteren.
Aan de Universiteit Konstanz in Duitsland heeft de groep van scheikundige Stefan Mecking zo'n plastic ontwikkeld. Het heet LCAP en wordt deels gemaakt van plantaardige olie. Het lijkt op polyetheen, maar de lange moleculen hebben op vaste afstanden een zwakke plek. Daar kan water de keten doorknippen, met hulp van enzymen: eiwitten die in levende cellen werken als kleine schaartjes.
Proef in het bos
Microbiologen Harry Lerner en David Schleheck wilden weten wie dat knipwerk in de natuur doet. Ze begroeven stukjes LCAP-folie zo'n 10 centimeter diep in de humuslaag van het bos bij de botanische tuin van de universiteit. In het lab mengden ze poeder van het plastic door dezelfde bosgrond. Een jaar lang maten ze hoeveel koolstofdioxide de bodembacteriën uitademden: hoe meer, hoe meer plastic ze opaten.
Volgens de universiteit waren de afbreekbare plastics in de proef na ongeveer 250 tot 330 dagen helemaal verdwenen. Ter vergelijking: cellulose, het materiaal van papier, was na ongeveer 80 dagen weg. Gewoon polyetheen bleef zo goed als heel.
Onder een elektronenmicroscoop zat de begraven folie vol gaatjes van een paar duizendste millimeter. Ze hadden precies de vorm en grootte van één bacterie. Het leek alsof de bacteriën zich door het plastic heen hadden gegeten.
Een enzym met een wijde bek
Daarna lazen de onderzoekers het DNA van alle microben op het plastic. Daarin vonden ze een gen voor een enzym dat ze LCPH1 noemden. Met het AI-programma AlphaFold voorspelden ze hoe dat eiwit is opgevouwen. De plek waar het enzym zijn werk doet, staat ongewoon wijd open, zodat er een groot stuk plastic in past. Daarom kreeg het de bijnaam 'Pac-Man-enzym', naar het hapgrage poppetje uit het bekende computerspel.
Het enzym heeft nog iets bijzonders: een vetstaartje waarmee het vastzit aan de buitenkant van de bacterie. Meestal gaan onderzoekers ervan uit dat bacteriën zulke enzymen loslaten in hun omgeving. Lerner en Schleheck denken dat deze bacteriën juist bedekt zijn met de enzymen, en zo een gat in de folie eten. Dat heeft een voordeel: de brokjes plastic ontstaan vlak naast de cel. De bacterie kan ze dan meteen opnemen, voordat ze wegdrijven of een andere bacterie ermee vandoor gaat.
Ook penicilline gaat eraan
De bouw van LCPH1 lijkt sterk op die van enzymen waarmee bacteriën zich verdedigen tegen penicilline. In het lab bleek het enzym dat ook echt te kunnen: het knipt antibiotica als penicilline en ampicilline op een cruciale plek door, waardoor ze niet meer werken. Omdat het enzym aan de buitenkant zit, is het antibioticum al onschadelijk voordat het de bacterie bereikt.
Welke van de twee taken de 'echte' is, zoeken de onderzoekers nog uit. Misschien is het afbreken van plastic-achtige stoffen de hoofdtaak, en is de werking tegen penicilline een overblijfsel uit de evolutie. De volgende stap is beter begrijpen hoe bacteriën plastic afbreken, en wat zulke dubbele enzymen betekenen voor de verspreiding van resistentie tegen antibiotica in de natuur. Ondertussen pleiten de onderzoekers ervoor om waar het kan plastic te gebruiken dat bacteriën kunnen afbreken, voor alles wat niet wordt gerecycled. Ze publiceerden hun resultaten in het vakblad The ISME Journal.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Dit onderzoek laat zien hoe gewoon AI in de biologie al is geworden. De vorm van het Pac-Man-enzym kwam niet uit een lange proef in het lab, maar uit een voorspelling van AlphaFold, het AI-programma dat eiwitstructuren berekent. Daar kan de volgende stap op voortbouwen: AI-modellen die zelf eiwitten ontwerpen, kunnen LCPH1 als startpunt nemen en varianten bedenken die plastic sneller afbreken, zonder dat ze ook antibiotica aanpakken. Nog mooier wordt het als plastic en enzym samen worden ontworpen. Een AI-model dat zowel de scheikunde van plastic als de biologie van bodembacteriën kent, kan een plastic voorstellen met precies de zwakke plekken die een bekend enzym het snelst vindt. Zo groeien twee vakgebieden naar elkaar toe, en wordt plastic dat netjes verdwijnt steeds meer de standaard.
