Seit einigen Monaten beschäftigen sich die ZHAW-Forschenden intensiv mit der Entwicklung von «PETase»-Enzymen. Dabei nutzen sie das 2018 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnete Verfahren der «gerichteten Evolution». Dieses imitiert im Labor die Mechanismen der natürlichen Evolution, um ausgewählte Eigenschaften von Enzymen zu verbessern. Sean Hüppi vom ZHAW-Institut für Chemie und Biotechnologie wendet es im Rahmen seiner Doktorarbeit bereits erfolgreich für die «PETase»-Enzyme an und erklärt: «Indem wir den Bauplan des Enzyms umschreiben, können wir Varianten mit einem leicht anderen Aufbau herstellen.» So sind bereits mehrere Hundert Enzymvarianten entstanden. Zu diesen geben die ZHAW-Forschenden Mikroplastik und beobachten dann, welche Enzymvariante das Plastik am schnellsten abbaut. «Nach der ersten Evolutionsrunde sehen wir bereits eine mehrfache Verbesserung der Enzym-Aktivität», so Hüppi. Die effizientesten Enzyme dienen nun als Startbauplan für die Wiederholung des Vorgehens.

Weltweit kommt die «gerichtete Evolution» zwar bereits bei einer Handvoll «PETase»-Forschungsprojekten zur Anwendung. Mit dem Einsatz eines neuartigen Roboters und künstlicher Intelligenz geht die ZHAW nun aber neue Wege. «Wir gehen davon aus, dass wir mit maschinellem Lernen sowie einer Automatisierungsplattform die Laborevolution der PETase nochmals deutlich beschleunigen werden», so Forschungsleiterin Rebecca Buller. Die spezialisierte Plattform für das Enzymscreening wurde von der Firma Tecan mit Sitz in Männedorf für die ZHAW hergestellt. Ab Oktober 2020 automatisiert sie Laborarbeit, die bisher von Hand gemacht wurde. Der Roboter kann einige Tausend verschiedene PETase-Varianten pro Woche herstellen und vermessen – eine Person benötigt dafür fast zehnmal so viel Zeit.

Zusätzlich nutzt die Forschungsgruppe für die Enzymentwicklung künstliche Intelligenz: die verwendeten Algorithmen machen auf Basis der im Labor gewonnenen Daten Optimierungsvorschläge für den Aufbau der Enzyme, also für die Abfolge der natürlichen Enzym-Bausteine, der Aminosäuren. Damit kann beispielsweise gezielt ermittelt werden, welche Aminosäuren im Enzym für den schnellen PET-Abbau eine tragende Rolle spielen. «Algorithmen stellen ganz andere kombinatorische Zusammenhänge her als Menschen», so Hüppi. Für die Entwicklung der Algorithmen und die Auswertung der Daten arbeitet die ZHAW eng mit der Forschungsgruppe von Andreas Krause am Institut für Maschinelles Lernen der ETH Zürich zusammen. Das Projekt wird im Rahmen des neuen Nationalen Forschungsschwerpunkts «Catalysis» gefördert.