Kompetenzzentrum Biokatalyse trainiert ein Enzym, das Plastik abbaut
Das Enzym «PETase», das Plastik abbaut, wurde 2016 in Japan entdeckt. Noch ist es nicht sehr effizient, doch eine Forschergruppe um Chemikerin Rebecca Buller möchte dies im Labor auf Hochleistung trainieren – mit einem massgeschneiderten Roboter und künstlicher Intelligenz.
Plastik ist ein riesiges Umweltproblem: Jährlich werden etwa 359 Millionen Tonnen Plastik produziert, von denen sich bis zu 200 Millionen auf Mülldeponien oder in der Umwelt ansammeln. Ein kleines Enzym könnte Teil der Lösung sein: Im Jahr 2016 entdeckten japanische Forschende in der Bodenprobe einer Recyclinganlage in Osaka ein Protein, das PET abbauen kann. Es stammt aus dem Bakterium Ideonella sakaiensis und ist mutmasslich als Reaktion der Natur auf die vielen Plastikabfälle entstanden.
Effizientere Enzyme dank gerichteter Evolution
Das Enzym ist noch zu wenig effizient, um im Kampf gegen Plastik einen relevanten Beitrag zu leisten. Das Forschungsteam um Rebecca Buller am Kompetenzzentrum für Biokatalyse des Instituts für Chemie und Biotechnologie möchte es deshalb mit dem Verfahren der «gerichteten Evolution» gezielt trainieren. Das Verfahren imitiert im Labor die natürliche Evolution, um ausgewählte Eigenschaften von Enzymen zu verbessern. «Die auf diese Weise optimierten Enzymvarianten könnten zum Beispiel in der Trinkwasseraufbereitung angewendet werden, um Mikroplastik abzubauen. Auch ein Einsatz im Biorecycling von PET-Abfall ist denkbar», so Rebecca Buller.
Konkret schreiben die Forschenden den Bauplan der PETase um und stellen so Varianten her. Diesen Enzymvarianten geben sie dann Micro-PET zu und beobachten, welche von ihnen das Plastik am schnellsten abbauen. Dieser Vorgang wird dann mit den effizientesten Varianten wiederholt, bis das gewünschte Resultat erzielt wird oder die Leistungsgrenze erreicht ist.
Weiterer Schub durch Roboter und künstliche Intelligenz
Die Forschergruppe will den Prozess mit Automatisierung und künstlicher Intelligenz nun nochmals stark beschleunigen. Eine spezialisierte Plattform für das Enzymscreening von der Firma Tecan beschleunigt ab Mitte Oktober die Laborarbeit, die bisher von Hand gemacht wurde, etwa um das zehnfache. Zusätzlich nutzt die Forschungsgruppe künstliche Intelligenz: Algorithmen machen auf Basis der im Labor gewonnenen Daten Optimierungsvorschläge für den Aufbau der Enzyme. Für die Entwicklung dieser Algorithmen und die Auswertung der Daten arbeitet die ZHAW eng mit dem Institut für Maschinelles Lernen der ETH Zürich zusammen.
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