Neuentdeckung eines Enzyms mit Potenzial für den Plastikabbau
Wissenschaftler der Universität Konstanz haben ein bisher unbekanntes Enzym in Bakterien identifiziert, das in der Lage ist, Polyester-Kunststoffe abzubauen und gleichzeitig Antibiotika wie Penicillin zu spalten. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für die mikrobielle Zersetzung von Plastik sowie für das Verständnis der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt und deren evolutionäre Entwicklung.
Herausforderung durch Plastikmüll in den Ozeanen
In den Weltmeeren sammeln sich große Mengen an Kunststoffabfällen in sogenannten Müllstrudeln, die für die dortigen Organismen eine erhebliche Gefahr darstellen. Synthetische Polymere, wie sie in den meisten Kunststoffen verwendet werden, sind biologisch nur sehr langsam abbaubar. Die physikalische Zersetzung führt stattdessen zur Bildung von Mikro- und Nanoplastik. Auf diesen Kunststoffoberflächen bildet sich ein Biofilm aus Mikroorganismen, der als „Plastisphäre“ bezeichnet wird – ein eigener mikrobieller Lebensraum.
Das „Pac Man Enzym“ – ein neuartiger Kunststoffabbauer
Das Forschungsteam der Universität Konstanz entdeckte in Bakterien ein Enzym, das Polyester- und Biokunststoffe zersetzen kann und gleichzeitig den Bakterien Antibiotikaresistenz verleiht. Aufgrund seiner Struktur mit einem weit geöffneten aktiven Zentrum wurde das Enzym als „Pac Man Enzym“ bezeichnet. Diese Eigenschaft lässt vermuten, dass sich Mikroorganismen schneller als bisher angenommen auf den Abbau von Kunststoffen spezialisieren könnten. Die Verwendung von biologisch abbaubaren Kunststoffen könnte den natürlichen Abbauprozess durch Mikroorganismen unterstützen.
Forschungsmethodik und Ergebnisse
- Die Biologen Harry Lerner und David Schleheck untersuchten die vollständige mikrobielle Zersetzung von Biokunststoffen sowie das Metagenom der beteiligten Mikrobengemeinschaft.
- Verwendet wurden langkettige aliphatische Polyester (LCAP), entwickelt von einer Chemikergruppe um Stefan Mecking.
- Die Proben wurden sowohl im Waldhumus als auch im Labor über ein Jahr inkubiert, um den Abbauprozess zu verfolgen.
- Der Abbau von Biokunststoffen erfolgte innerhalb von 250 bis 330 Tagen, Zellulose wurde nach etwa 80 Tagen vollständig zersetzt, während Hartplastik (HDPE) nahezu unverändert blieb.
Unerwartete Beobachtungen und molekulare Analysen
Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten mikroskopisch kleine Löcher in den Kunststofffolien, die der Größe und Form einzelner Bakterienzellen entsprachen. Dies deutet darauf hin, dass Bakterien mit fest an der Zelloberfläche verankerten Depolymerase-Enzymen das Material zersetzen und dabei in die Folie eindringen.
Die Analyse der Gesamt-DNA der Bodenmikroben identifizierte ein Gen, das für ein Esterase-Enzym kodiert. Dieses besitzt ein Sekretionssignal und einen Membrananker, der die Verankerung an der Zelloberfläche ermöglicht. Das Enzym zeigt strukturelle Ähnlichkeiten zu Betalaktamasen, die Antibiotika wie Penicillin spalten und somit Resistenz vermitteln. Die biochemische Doppelaktivität – Abbau von Polyester und Spaltung von Penicillin – konnte im Labor bestätigt werden.
Bedeutung für die Plastisphäre und zukünftige Perspektiven
Die Plastisphäre stellt einen neuen Lebensraum dar, der durch den seit etwa 50 bis 75 Jahren zunehmenden Kunststoffeintrag entstanden ist. Obwohl Mikroorganismen das Plastik als Kohlenstoffquelle nutzen könnten, sind die Materialien bisher weitgehend unverdaulich. Das „Pac Man Enzym“ könnte jedoch einen Wendepunkt markieren, indem es Mikroorganismen ermöglicht, sich auf den Abbau von Polyester-Kunststoffen zu spezialisieren.
Für die Umwelt bedeutet dies, dass die Verwendung von Kunststoffen mit hydrolysierbaren Esterbindungen, wie bei LCAP oder anderen Biokunststoffen, den mikrobiellen Abbau fördern könnte. Dies stellt einen wichtigen Schritt zur Lösung des Plastikproblems dar.
Fakten und Publikation
- Originalpublikation: Lerner et al., „Bacterial family-VIII esterase displays dual activities: hydrolysis of polyester bioplastics and β-lactam antibiotics“, The ISME Journal, Januar 2026, DOI: 10.1093/ismejo/wrag203
- Autor*innen: Harry Lerner (Postdoc, Universität Konstanz und Marie Skłodowska-Curie Fellow, Universität Leuven), David Schleheck (Professor für Mikrobielle Ökologie, Universität Konstanz), sowie weitere Forschende aus den Fachbereichen Biologie und Chemie der Universität Konstanz.
- Gefördert durch das Projekt INPEW der Carl-Zeiss-Stiftung (2020–2026).
