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Ein Team von CSIC-Forschern hat herausgefunden, dass der Speichel der Wachsmotte Plastik abbaut, was zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten bei der Behandlung oder dem Recycling von Plastikabfällen bieten könnte. Das Team entdeckte 2017, dass diese Raupenart (der Lepidoptera Galleria mellonella) in der Lage ist, Kunststoff (Polyethylen) abzubauen, und nun haben sie herausgefunden, wie sie das tut: Ihr Speichel enthält Enzyme (aus der Familie der Phenoloxidasen), die den Abbau von Polyethylen in kurzer Zeit und bei Raumtemperatur einleiten. Diese Enzyme sind die ersten und einzigen bekannten Enzyme, die Polyethylen-Kunststoff ohne Vorbehandlung abbauen können, so Federica Bertocchini, CSIC-Forscherin am Centro de Investigaciones Biológicas (CIB-CSIC), die die Studie leitete. Die Ergebnisse der Arbeit, deren Überprüfung noch aussteht, wurden als Preprint im BioRxiv-Repository veröffentlicht. Die Studie wurde von der Roechling-Stiftung (Deutschland) finanziert.
"Um Kunststoff abzubauen, muss Sauerstoff in das Polymer (das Kunststoffmolekül) eindringen. Dieser erste Oxidationsschritt, der in der Regel durch Sonneneinstrahlung oder hohe Temperaturen ausgelöst wird, ist ein Engpass, der den Abbau von Kunststoffen wie Polyethylen, einem der widerstandsfähigsten Kunststoffe, verlangsamt", erklärt Bertocchini. "Deshalb dauert es unter normalen Umweltbedingungen Monate oder Jahre, bis sich Kunststoff abbaut", fügt Bertocchini hinzu.
"Jetzt haben wir herausgefunden, dass Enzyme im Speichel der Wachsmotte diesen entscheidenden Schritt durchführen: Sie oxidieren den Kunststoff. So können sie den Engpass des Kunststoffabbaus überwinden und dessen Zersetzung beschleunigen", fügt sie hinzu.
Polyethylen ist einer der widerstandsfähigsten und am häufigsten verwendeten Kunststoffe. Zusammen mit Polypropylen und Polystyrol macht es 70% der gesamten Kunststoffproduktion aus. Die Verschmutzung durch Plastik stellt eine Bedrohung für die Gesundheit und die Umwelt unseres Planeten dar, so dass dringend Lösungen zur Bekämpfung des Plastikmülls gefunden werden müssen.
Einer der vielversprechendsten Forschungsbereiche ist der Abbau von Kunststoffen mit biologischen Mitteln. Dieser Prozess wird als biologischer Abbau bezeichnet und ist mit Mikroorganismen wie Bakterien und Pilzen verbunden. Bislang können jedoch nur eine Handvoll Mikroorganismen die zähen Kunststoffpolymere des Polyethylens abbauen. Und in den meisten Fällen ist eine aggressive Vorbehandlung erforderlich, um eine Oxidation zu gewährleisten und so den Mikroorganismen eine gewisse (wenn auch langsame) Wirkung auf den Kunststoff zu ermöglichen.
Plastik fressende Raupen
Vor einigen Jahren eröffnete sich ein neues Forschungsfeld: Es wurde festgestellt, dass einige Insekten der Gattungen Lepidoptera und Coleoptera in der Lage sind, Polyethylen und Polystyrol abzubauen. "In unserem Labor haben wir das Insekt entdeckt, das am schnellsten zu sein scheint: die Larven des Lepidoptera Galleria mellonella, auch bekannt als der Wachsmotte", sagt Bertocchini. "Diese Larven waren in der Lage, die Polymere des Kunststoffs in sehr kurzer Zeit (nach nur einer Stunde Exposition) zu oxidieren und abzubauen.
"In den letzten Jahren hat man versucht, herauszufinden, wie diese Insekten so etwas machen können. Viele Studien haben sich auf die Mikroorganismen konzentriert, die im Verdauungssystem dieser Larven leben, ausgehend von der Annahme, dass die Larven den Kunststoff als Nahrung nutzen können und dass der Abbau das Ergebnis ihrer Stoffwechselaktivität und des Verdauungsprozesses ist", erinnert sich der Forscher. "Diese Annahme ist jedoch höchst fragwürdig, weshalb sich unsere Forschung von Anfang an auf die Mundhöhle der Larven konzentriert hat", sagt sie.
"Wir haben uns das Verhalten der Larven in Gegenwart von Polyethylen genau angesehen und festgestellt, dass die Enzyme im Speichel der Larven (d.h. die Flüssigkeit, die aus dem Mund des Insekts gesammelt wird) in der Lage sind, Polyethylen abzubauen", sagt Bertocchini. "Das Polymer oxidiert bei Kontakt mit Speichel und depolymerisiert innerhalb weniger Stunden. Wir haben abgebaute Rückstände identifiziert, die sich in Gegenwart ihres Speichels bilden", sagt er.
Darüber hinaus analysierten die Forscher den Speichel mit Hilfe der Elektronenmikroskopie und stellten einen hohen Proteingehalt fest. "Wir haben im Speichel zwei Enzyme isoliert, die die vom Speichel insgesamt verursachte Oxidation reproduzieren können", sagt der Forscher. Diese beiden Proteine, Demetra und Ceres genannt, gehören zur Familie der Phenoloxidase-Enzyme.
"Wir haben festgestellt, dass das Demetra-Enzym eine signifikante Wirkung auf Polyethylen hat und mit blossem Auge sichtbare Spuren (kleine Krater) auf der Oberfläche des Kunststoffs hinterlässt; diese Wirkung wurde auch durch das Auftreten von Abbauprodukten bestätigt, die sich bilden, nachdem das Polyethylen diesem Enzym ausgesetzt wurde; das Ceres-Enzym oxidiert das Polymer, ohne jedoch sichtbare Spuren zu hinterlassen, was darauf schliessen lässt, dass die beiden Enzyme eine unterschiedliche Wirkung auf Polyethylen haben", fasst sie zusammen.
Die Funktionsweise der Phenoloxidase-Enzyme
Phenole sind Moleküle, die Pflanzen zur Verteidigung gegen potenzielle Feinde wie Insektenlarven einsetzen. Daher könnten Insekten Phenoloxidase-Enzyme produzieren, um Pflanzenphenole zu oxidieren und damit zu neutralisieren, so dass sie sich gefahrlos von den Pflanzen ernähren können. Phenole sind auch in vielen Kunststoffadditiven enthalten, was sie zu Zielen für diese Enzyme machen und die notwendigen Bedingungen für die Oxidation und Depolymerisation des Kunststoffs schaffen könnte. "Bislang ist dies nur eine Spekulation, und es sind weitere Experimente erforderlich, um den Wirkungsmechanismus des Enzyms zu untersuchen", warnen die Forscher.
Eine noch interessantere Frage ist, wie die Wachsmotten diese Fähigkeit erworben haben. Die Forscher vermuten, dass dies auf einen evolutionären Prozess zurückzuführen sein könnte. "Wachsmotten ernähren sich von Bienenwachs und Pollen einer Vielzahl von Pflanzenarten. In Anbetracht der Tatsache, dass Bienenwachs reich an Phenolen ist, wäre diese Art von Enzym für die Würmer sehr nützlich. Indirekt würde dies erklären, warum Wachsmotten Polyethylen abbauen können. Bislang handelt es sich bei dieser Theorie jedoch nur um Spekulationen, und es sind weitere Studien erforderlich, die die Insektenbiologie mit der Biotechnologie kombinieren.
Literatur
- A. Sanluis-Verdes, P. Colomer-Vidal, F. Rodríguez-Ventura, M. Bello-Villarino, M. Spinola-Amilibia, E. Ruiz-López, R. Illanes-Vicioso, P. Castroviejo, R. Aiese Cigliano, M. Montoya, P. Falabella, C. Pesquera, L. González-Legarreta, E. Arias-Palomo, M. Solà, T. Torroba, C.F. Arias, F. Bertocchini; "Wax worm saliva and the enzymes therein are the key to polyethylene degradation by Galleria mellonella."; Biorxiv.