Diese Arbeiten, die in Nature veröffentlicht wurden, ermöglichen es dem PLA, sich in weniger als sechsundzwanzig Wochen in einem heimischen Komposter zu zersetzen.
PLA, das aus pflanzlichen Rohstoffen gewonnen wird, kann sich dank eines direkt in den Kunststoff integrierten Enzyms, das in der Lage ist, der Formulierungstemperatur standzuhalten, endlich in weniger als 26 Wochen zersetzen.
© Guicherd et al.
Polylactid (PLA), das aus pflanzlichen Rohstoffen synthetisiert wird, ist ein biobasierter Polymer, der besonders im Bereich der Lebensmittelverpackungen beliebt ist. Dabei wird die biologische Abbaubarkeit oft hervorgehoben, jedoch findet diese nur statt, wenn die Temperatur über einen längeren Zeitraum 60 Grad Celsius übersteigt. Das entspricht größtenteils den Bedingungen industrieller Kompostieranlagen. PLA, das anderswo entsorgt wird, zersetzt sich jedoch viel zu langsam, um als umweltfreundlich zu gelten.
Die Integration von Enzymen in das Material könnte seine biologische Abbaubarkeit erleichtern, jedoch erfolgen die industriellen Verarbeitungsprozesse von PLA bei mindestens 170 Grad, was eine zu hohe Temperatur für Moleküle biologischen Ursprungs ist.
Forscher und Forscherinnen des Toulouse Biotechnology Institute (TBI, CNRS/INRAE/INSA Toulouse), der Firma Carbios (Frankreich) sowie der Universitäten Kasetsart (Thailand) und Mons (Belgien) haben eine Lösung entwickelt, um Enzyme zu integrieren, die nach der Formgebung des PLA ihre Wirksamkeit beibehalten.
Der enzymatische Kunststoff zersetzt sich in weniger als sechsundzwanzig Wochen, also schneller als die gesetzlich festgelegte maximale Frist für den Einsatz im heimischen Kompost, und verrottet auch langsamer, wenn er in freier Natur landet. In einer spezialisierten Anlage produziert der modifizierte PLA zudem mehr Biomethan, eine weitere Möglichkeit zur Verwertung von Abfällen.
Diese Arbeiten wurden hauptsächlich im kooperativen INSA/Carbios-Labor PoPlaB (Polymere, Kunststoffe und Biotechnologie) durchgeführt, das am TBI angesiedelt ist. Die Wissenschaftler suchten zunächst nach den am besten geeigneten Enzymen und wählten ein Protein aus, das als PAM bezeichnet wird und von der thermophilen Bakterie Actinomadura keratinilytica produziert wird.
Da die Eigenschaften von PAM interessant, aber nicht ausreichend waren, griff das Team auf bioinformatische Ansätze zurück, um ein neues thermostabiles Enzym zu finden, das als ProteineT bezeichnet wird, und optimierte dessen Eigenschaften durch molekulare Ingenieurstechniken. So wurde ein Enzym entwickelt, das hohen Temperaturen standhält, PLA effizient abbaut und sich zudem gut mit dem Kunststoff mischt.
Das Enzym wird dann in eine stabilisierte Vormischung integriert, in der die Moleküle langfristig gelagert werden können. Erst wenn der enzymatische PLA unter Kompostierungsbedingungen eingesetzt wird, beginnt das Enzym den Abbauprozess, was ihn zum Beispiel zu einem idealen Material für flexible Lebensmittelverpackungen macht.
Gegenwärtig untersuchen die Wissenschaftler auch enzymatische Lösungen für andere Polymere, wie Polyamid.
Literaturhinweis:
An engineered enzyme embedded into PLA to make self-biodegradable plastic.
Nature 631, 884-890 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07709-1