Mikroben, die Plastik umbauen
Im WSS-Forschungszentrum catalaix übernehmen Katalysatoren die Schlüsselrolle für den chemischen Ab- und Umbau von Kunststoffen. Doch auch die Natur hat Moleküle entwickelt, die dabei helfen können. Der Forschungsbereich um Lars Blank nutzt solche mikrobiellen Enzyme, um verschiedene Kunststoffmoleküle aufs Mal ab- und umzuwandeln.
Wenn Lars Blank erklären möchte, wozu Mikroben fähig sind, verweist er auf den Wald: Ein Baum fällt um, bleibt liegen – und schon macht sich die Räumequipe der Natur über ihn her. Vor allem winzige Pilze und Bakterien ermöglichen den Holzabbau: Sie setzen Enzyme frei, die in der Lage sind, ganz unterschiedliche und selbst die härtesten Verbindungen im Holz zu spalten. «Ein Baumstamm enthält eine hochkomplexe Polymermischung mit Zellulosen, Lignin, Harzen oder Aromaten – und am Ende haben Mikroben alles zerlegt und umgebaut», sagt Blank.
Lars Blank ist Leiter des Lehrstuhls für Angewandte Mikrobiologie an der RWTH Aachen und Mitglied des fünfköpfigen Kernteams im WSS-Forschungszentrum catalaix. Sein Forschungsgebiet ist der mikrobielle Stoffwechsel. Er untersucht, verbessert und entwickelt Mikroorganismen, die verschiedenste Substrate abbauen und daraus neue Moleküle herstellen können. Genau dies sollen sie im Rahmen von catalaix auch mit Kunststoffen tun.
Enzym aus dem Komposthaufen
Vom Menschen geschaffene Kunststoffe sind genauso Polymere, wie die Zellulose – also kettenförmige Moleküle aus kleineren Einheiten, den Monomeren. Mit dem Unterschied allerdings, dass sich Mikroben nicht über Jahrmillionen der Evolution auf ihren Abbau spezialisieren konnten. Trotzdem hat die Forschung in den letzten Jahren gezeigt, dass manche vom Menschen hergestellte Kunststoff-Polymere von Mikroben-Enzymen gespalten und verstoffwechselt werden können.
Lars Blank lässt an seinem Bildschirm als Beispiel ein kurzes Video laufen: In einem Glasbehälter macht eine transparente Schachtel einige bizarre Verrenkungen, beginnt kleiner und kleiner zu werden und verschwindet schliesslich ganz. «Das ist eine Himbeerverpackung in einem Enzymreaktor», sagt Blank. Ein Stück PET, einer der meistverwendeten Kunststoffe, wird hier bei 65 Grad mittels einer enzymatischen Hydrolyse abgebaut. Das Enzym stammt aus einem Kompost und ist an solche Temperaturen angepasst.
Allerdings findet man ein solches Enzym nicht einfach mit einem Griff in den Komposthaufen. «Bis zur Abbauaktivität, die wir hier sehen, brauchte es 20 Jahre Forschungsarbeit», erklärt Blank. Es handelt sich um ein speziell effizientes Enzym, das Forschende aus Leipzig nach jahrelanger Suche entdeckten. Das Leipziger Team isolierte die Enzyme, brachte sie in ein geeignetes Trägerbakterium und verbesserte sie. Zum Beispiel mit dem Prinzip der «gerichteten Evolution». Dabei werden in den Enzym-Genen zufällige Mutationen erzeugt und auf ihre Abbauaktivität getestet. Die besten dienen als Basis für neue Mutationen, die wiederum getestet werden. Und so weiter.
Den Beitrag, den seine Mikroben im catalaix-Projekt leisten können, sieht Lars Blank allerdings weniger im Abbau eines einzelnen Polymers wie PET. Sondern, wie im Fall der Holzzerlegung, bei Mischungen. «Unsere Nische», sagt er bescheiden, «liegt bei Stoffgemischen, die dem Chemiker keinen Spass machen, weil sie zu komplex sind, um sie effizient und günstig zu hochreinen Molekülen abzubauen.» Und es gehe nicht bloss ums Zerlegen, sondern darum, neue, wertvolle Stoffe zu produzieren – eine Art Upcycling.
Vier Moleküle auf einen Streich
Ein Beispiel dafür hat Blank mit seinem Team kürzlich in einer Fachzeitschrift publiziert. Wiederum diente PET als Ausgangsmaterial. Die Forschenden entwickelten einen zweistufigen Prozess, um daraus mithilfe von Enzymen und gentechnisch veränderten Bakterien wertvolle neue Stoffe herzustellen. Im ersten Schritt bauten sie das PET mit einem Polyesterhydrolase-Enzym in seine beiden Ausgangsmoleküle Ethylenglykol und Terephthalsäure ab. Für den zweiten Schritt präparierten sie Bakterien der Art Pseudomonas putida gentechnisch so, dass sie diese beiden Moleküle gleichzeitig aufnehmen und verwerten können.
Sie «bauten» drei Versionen des Bakteriums: Die erste produzierte Cyanophycin, ein Biopolymer, das zum Beispiel für die Medizin oder die Landwirtschaft interessant sein könnte. Das zweite Bakterium machte aus den beiden Ausgangsmolekülen eine Substanz mit der Abkürzung HAA, das dritte sogenannte Rhamnolipide. Beide Stoffe sind oberflächenaktive Substanzen, die zum Beispiel in Reinigungsmitteln zum Einsatz kommen könnten.
Damit nicht genug: In einem anderen Experiment zeigte Blanks Team, dass es sogar in der Lage ist, einem Bakterium vier Monomere gleichzeitig zu verfüttern. Dafür verwendeten die Forschenden die vier Bestandteile einer PBAT/PET-Mischung: Ethylenglykol, Terephthalsäure, 1,4-Butandiol und Adipinsäure. «Nachdem wir alle vier Stoffwechselwege in ein Bakterium eingebracht hatten, konnten wir zeigen, dass es gut wächst – und die vier Monomere mehr oder weniger gleichzeitig aufnimmt», erzählt Blank.
Als nächsten Schritt brachten die Forschenden ihre Mikroben dazu, aus diesen vier Plastikbestandteilen ein einziges neues Produkt herzustellen. «Dafür pflanzten wir dem Bakterium einen synthetischen Stoffwechselweg aus einem anderen Organismus ein», erzählt Blank. Das entstehende Molekül war – je nach verwendetem Stoffwechsel-Gen – eine Hydroxyfettsäure mit zehn oder mit 14 Kohlenstoffatomen.
Weitere biologische Ansätze
Mit mikrobiellen Enzymen und biologischen Molekülen befassen sich auch weitere Forschungsteams in catalaix: Die Gruppe von Lars Lauterbach etwa arbeitet unter anderem an mikrobiellen Methoden, um direkt aus CO2 und Grünem Wasserstoff wertvolle Chemikalien herzustellen. Die Forschungsgruppe von Jørgen Magnus ist auf die Bioverfahrenstechnik spezialisiert. Sie untersucht, wie sich mikrobiologische Verfahren hochskalieren lassen. Wie sie also im grösseren Massstab, bis hin zu Fermentern, möglich werden. Die Gruppe von Ulrich Schwaneberg schliesslich entwickelt sogenannte Bindepeptide. Dabei handelt es sich um Proteine, die auf Oberflächen haften bleiben. Solche Moleküle sind ein äusserst interessanter Ansatz für neuartige Trenntechniken: Mit verschiedenen bindungsspezifischen Peptiden könnten sich dereinst die unterschiedlichen Kunststoffsorten in einem Abfallgemisch (siehe Artikel: Was in der Sortieranlage übrigbleibt) markieren und einfacher trennen lassen.
«Wir können also langlebige Kunststoffe wie Polyester enzymatisch in verschiedene Monomere zerlegen, damit Mikroben ernähren und sie daraus hochwertige Stoffe produzieren lassen», sagt Blank. Mit solchen Beispielen könne die Mikrobiologie die Chemie in catalaix unterstützen. «Für Chemiker ist es eine grosse Herausforderung, komplett unterschiedliche Moleküle wie ein Aromat, ein Diol und Carbonsäuren in ein einziges neues Molekül zu verwandeln. Wir schaffen es.»
Wichtig, das ist die catalaix-Devise, ist stets eine interdisziplinäre Zusammenarbeit: Als Beispiel könnte die Chemie erste Abbauschritte vornehmen und die entstehenden Moleküle an die Mikrobiologie übergeben. Diese verfüttert sie an Mikroorganismen und stellt neue Produkte her. Diese gehen nach einer Trennung durch die Verfahrenstechniker zurück in die Chemie-Labors, wo sie als Ausgangsmaterialien für neue Kunststoffe dienen.
Wie genau die Zusammenarbeit und die einzelnen Schritte aussehen, hängt von den jeweiligen Kunststoffen ab. «Es braucht unterschiedliche Verarbeitungs-Kaskaden für unterschiedliche Kunststoffe», sagt Lars Blank. «Aber letztlich ist unser Ziel, dass wir durch eine Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Disziplinen den Kohlenstoff aus den Kunststoffen im Kreis halten.»
Ran an die realen Ströme!
Der Weg zu diesem Ziel ist lang und steinig. «Momentan», sagt Blank, «kaufen wir die Monomere für unsere Experimente im Chemie-Katalog oder nehmen Produkte unserer Chemie-Kolleginnen und -kollegen, die aber ebenfalls reine Ausgangsmaterialien benutzt haben.» Reale Stoffströme hingegen sind selten rein: Viele Kunststoffabfälle werden wild durcheinandergemischt, an Verpackungen kleben Essensreste, Plastikspielzeug trägt einen Farbüberzug. «Wir müssen näher an solche realen Bedingungen kommen», sagt Blank.
So untersucht seine Arbeitsgruppe momentan, wie Mikroben mit sogenannten Additiven umgehen könnten. Diese Zusätze verleihen vielen Kunststoffen wertvolle Eigenschaften: Verstärkungsstoffe erhöhen die Festigkeit eines Plastiks, Gleitmittel verbessern seine Verarbeitbarkeit, Flammschutzmittel verringern die Brennbarkeit, Stabilisatoren schützen vor Wärme oder Licht.
Bei vielen Plastikprodukten allerdings wissen nur die Hersteller selbst, welche Additive in welchen Mengen enthalten sind. Das macht Untersuchungen langwierig und schwierig. Blank hofft, dass ein Industriepartner für einige seiner Produkte bald Licht ins Dunkel bringt und den Forschenden eine Liste von Additiven zur Verfügung stellt. Das Beispiel zeigt: Um die Kunststoffindustrie nachhaltiger zu machen, muss an vielen Schräubchen gedreht werden. Doch das Forschungszentrum catalaix verfügt zweifellos über die Werkzeuge, um diese Arbeit in Angriff zu nehmen.
