Forskere har identificeret en række nye enzymer, der kan angribe de to udbredte plasttyper polyurethan og nylon, som i dag stort set ikke kan genanvendes. Enzymerne, som blev fundet i bakterier fra blandt andet en tropisk zoo og en losseplads i Kenya, kan som de første nedbryde selv lange kæder og hårde, uopløste former for plastik.
Plastik er skabt til at holde, og netop derfor er noget af det nærmest umuligt at slippe af med igen.
Det kan dog se meget anderledes ud i fremtiden, efter forskere har fundet en stribe nye enzymer, der kan begynde at skille to af de mest udbredte og genstridige plasttyper ad: polyurethan og nylon.
Enzymerne stammer fra bakterier, som blev indsamlet dér, hvor mikroorganismer gennem lang tid har levet side om side med plastik.
Håbet er at bruge dem til at klippe plastikken tilbage i mindre byggesten, så materialer, der i dag stort set ender som affald, kan bruges til at fremstille nyt materiale.
“Lige nu er det stort set umuligt at nedbryde de her plasttyper på en økonomisk fornuftig måde. Men hvis vi kan finde en teknologi, der kan gøre det ved forholdsvis lav temperatur og lavt tryk, så vi ikke skal bruge mange penge på at varme reaktionen op, kan vi begynde at genanvende materialerne og give affaldet en værdi,” fortæller ph.d.-studerende Malthe Kjær Bendtsen fra forskningscentret EnZync ved Aarhus Universitet, som er en af forskerne bag studiet.
Forskningen er offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition.
Jagten på enzymerne førte til zoo og losseplads
Plastiktypen polyurethan findes blandt andet i skummadrasser, isolering og maling, mens nylon kendes fra fiskenet og strømper. Begge består af lange kæder, som er svære at skille ad igen, og især polyurethan kan være bundet sammen i et tæt netværk. Der findes derfor endnu ingen industriel løsning, der for alvor kan føre materialerne tilbage i kredsløbet. De ender typisk på lossepladser eller bliver brændt.
I naturen findes der allerede enzymer, som kan angribe nogle af plastikkens kemiske bindinger. Forskerne gik derfor på jagt efter dem dér, hvor plastik og mikroorganismer havde levet side om side længst. De ledte efter varme og fugtige steder, hvor bakterier gennem lang tid havde haft mulighed for at møde polyurethan og nylon.
Tanken var, at bakterier, der lever på plastikken, måske har enzymer med andre funktioner, som tilfældigvis også kan klippe nogle af dens kemiske bindinger over. Den evne kan give bakterierne en lille fordel dér.
Prøverne kom blandt andet fra Randers Regnskov, hvor meget af indretningen gennem 30 år har været lavet af plastik, fra kompostbunker og fra tarmene på voksmøllarver, der var fodret med skum af polyurethan. En mikrobiolog fra gruppen tog desuden til Kenya og ledte på lossepladser.
“Hvis vi kigger i historien, er det kun omkring 100 år siden, vi opfandt den første plastik, og polyurethan er endnu yngre. På en evolutionær tidslinje er det et splitsekund. Så vi ledte efter de bredt virkende enzymer, der kan lidt af hvert. De er ikke nødvendigvis udviklet til at nedbryde plastik, men hvis de tilfældigvis også kan klippe nogle af de samme kemiske bindinger, kan det måske give bakterien en lille fordel,” siger Malthe Kjær Bendtsen.
De ledte efter, hvad enzymerne kunne – ikke hvad de lignede
Normalt leder man efter nye plastiknedbrydende enzymer ved at søge efter proteiner, der ligner dem, man allerede kender. Forskerne gjorde det omvendte. Sammen med Teknologisk Institut udviklede de nogle fluorescerende molekyler, der fungerer som små spioner.
De efterligner en af de kemiske bindinger i plastikken, og hvis en bakterie har et enzym, der kan klippe den over, ændrer molekylet sit fluorescerende signal. Forskerne kunne dermed sortere tusindvis af bakterier i sekundet og fiske dem ud, der lyste op. De sorterede med andre ord efter, hvad bakterierne kunne, ikke hvad deres enzymer lignede.
Bagefter knuste de bakterierne og skilte proteinerne ad med flere runder af oprensning, mens de fulgte, hvilke prøver der stadig kunne klippe bindingen over. Til sidst stod de med 29 forskellige bakterier og 12 enzymer, ti der går efter polyurethan og to efter nylon.
“Der er måske 5.000 gener i sådan en bakterie, og kun ét af dem er ansvarligt for at lave enzymet. Det svære er derfor at finde frem til netop det gen. Til sidst klonede vi genet ind i en colibakterie, som ikke selv kunne nedbryde vores plastikmolekyle, og da den så kunne det bagefter, havde vi beviset for, at det var enzymet, der virkede,” forklarer Malthe Kjær Bendtsen.
Enzymerne virker også på rigtig plastik
Flere af enzymerne ligner kun i begrænset grad dem, der tidligere er blevet beskrevet. Men den fluorescerende test var kun første prøve. Det afgørende var, om de også kunne klippe bindingerne i lange, faste plastikkæder.
Det kunne de. Enzymerne frigav nedbrydningsprodukter fra både uopløst nylon og lange kæder af polyurethan – også den tværbundne form, hvor kæderne hænger sammen i et tredimensionalt netværk som i madrasskum. Den type plastik har hidtil været blandt de vanskeligste at få enzymer til at bide på.
Der er dog stadig meget langt til en anvendelig teknologi. På tre dage klippede det mest aktive enzym bindinger svarende til knap én pct. af polyurethanen i madrasskummet.
Til sammenligning er PET-nedbrydende enzymer gennem års udvikling blevet optimeret til at nedbryde stort set hele materialet på ét døgn, og teknologien bliver allerede taget i brug industrielt.
Nu skal enzymerne gøres skarpere
De beskedne tal overrasker dog ikke Malthe Kjær Bendtsen.
“Feltet er meget nyt, og man skal ikke forestille sig, at man lige foreløbigt putter sin gamle madras i en balje med enzymer og så ser den forsvinde. Men det her er et udgangspunkt. Enzymerne er sandsynligvis slet ikke udviklet til at nedbryde plastik, men alligevel kan de det. Naturen har altså allerede givet os nogle udgangspunkter, som vi kan bygge videre på,” siger han.
Næste skridt er derfor at bruge de fundne enzymer som råmodeller og ændre dem, så de klipper hurtigere, tåler højere temperaturer og virker længere. Målet er at nå op på mange titaller af procent, hvilket ifølge forskerne vil være banebrydende.
En af drømmene er, at en madrasfabrik en dag kan lægge sit spild tilbage i produktionen ved at tilsætte et enzym – og gøre affaldet til råmateriale igen.
