Chemische Formel von Vanillin (4-Hydroxy-3-methoxybenzaldehyd)
Biochemiker aus Schottland wandelten Terephthalsäure aus PET-Flaschen mit einem konstruierten Stamm von Escherichia coli in Vanillin um. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Green Chemistry veröffentlicht. Normalerweise werden die recycelten Rohstoffe verwendet, um neue Plastikflaschen herzustellen, während Wissenschaftler eine Upcycling-Methode vorgeschlagen haben, um einen wichtigen Stoff für die Lebensmittelindustrie (und nicht nur) zu gewinnen.
Ein Fünftel des weltweiten Kunststoffs ist Polyethylenterephthalat (PET), aus dem Textilien und Verpackungen hergestellt werden, hauptsächlich Flaschen für Wasser und kohlensäurehaltige Getränke. Daher suchen Forscher nach Möglichkeiten, PET zu recyceln, ohne die Umwelt zu schädigen.
Im Jahr 2016 isolierten japanische Mikrobiologen bei der Untersuchung des Bodens in der Nähe einer Polyethylenterephthalat-Anlage einen Bakterienstamm Ideonella sakaiensis 201-F6, der PET hydrolysieren kann. Mit Hilfe spezieller Enzyme zerlegt der Mikroorganismus Polyethylenterephthalat in seine Monomere - Terephthalsäure und Ethylenglykol. Diese Bakterien sind in der Lage, in sechs Wochen bei einer Temperatur von 30 Grad Celsius einen dünnen (0,2 Millimeter) Polymerfilm zu verarbeiten.
Und im vergangenen Jahr gelang es französischen Wissenschaftlern der Universität Toulouse, eine verbesserte Hydrolase zu synthetisieren, die effizienter arbeitete als das Enzym aus Ideonella sakaiensis: Sie konnte in 10 Stunden bis zu 90 Prozent des PET in Monomere aufspalten. Bei diesem Enzym handelte es sich ebenfalls um Cutinase LCC, die aus Blattkompost von Blättern gewonnen wurde. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass LCC bei der Hydrolyse von PET zu Terephthalsäure 33-mal effizienter ist als andere Enzyme. Als nächstes versuchten die Forscher, die enzymatische Aktivität und thermische Stabilität von LCC durch Protein-Engineering weiter zu verbessern. Als Ergebnis entschieden sich die Spezialisten für eine Variante der PET-Hydrolase, die PET zu 99,8 Prozent in Monomere spaltet.
Jetzt haben die Biochemiker Joanna C. Sadler und Stephen Wallace von der University of Edinburgh die französisch-verstärkte Cutinase LCC verwendet, um Terephthalsäure aus PET zu extrahieren, um noch einen Schritt weiter zu gehen. Schottische Forscher verwendeten ein modifiziertes E. coli, um Terephthalsäure in Vanillin umzuwandeln.
Vanillin wird häufig in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie sowie bei der Synthese von Medikamenten, Herbiziden und Reinigungsmitteln verwendet. Die weltweite Nachfrage nach Vanillin betrug 2018 etwa 37.000 Tonnen und wird bis Ende 2025 59.000 Tonnen überschreiten.
Die Forscher wählten den Stamm E. coli MG1655 RARE aus, der zuvor für die Biosynthese von Vanillin aus Glukose verwendet wurde. Biochemiker transformierten Bakterien mit Hybridplasmiden, die Gene enthielten, die für fünf Enzyme kodieren. Diese Enzyme katalysierten die Umwandlung von Terephthalsäure in Vanillin durch die Bildung von Zwischenprodukten: 3,4-Dihydroxybenzoesäure, 3,4-Dihydroxybenzaldehyd und Vanillinsäure.
Stufen der enzymatischen Umwandlung von Terephthalsäure zu Vanillin unter Bildung von Zwischenprodukten
Um die Vanillinausbeute zu erhöhen, optimierten die Wissenschaftler die Reaktionsbedingungen durch den Einsatz verschiedener Additive und die Wahl der passenden Acidität des Mediums. Bei einem pH-Wert von 6 bis 8 nahm der quantitative Umsatz von Terephthalsäure zu einem Zwischenprodukt, der 3,4-Dihydroxybenzoesäure, ab. Bei pH 5, 5 wurde die maximale Diffusion von Terephthalsäure in die Bakterienzelle bei minimalem Stress der Zelle durch die saure Umgebung beobachtet.
Die Forscher zeigten außerdem, wie die Methode an gebrauchten Plastikflaschen funktioniert. Biochemiker nutzten zunächst das Enzym LCC, um PET in Terephthalsäure (bei 72 Grad Celsius) umzuwandeln. Dann wurde die Reaktionsmischung auf Raumtemperatur abgekühlt und modifiziertes E. coli wurde dazugegeben. Die Menge des Endprodukts wurde unter Verwendung von Hochleistungsflüssigkeitschromatographie bestimmt. Nach 24 Stunden enzymatischer Reaktion wurde Vanillin mit einer Ausbeute von 79% erhalten.
Das Thema Kunststoffrecycling ist jetzt sehr aktuell: Dieses Produkt menschlicher Aktivität verschmutzt neue Orte. Mikroplastik findet sich nicht nur in Böden und Gewässern, sondern auch in Luft, Salz, menschlichen Exkrementen und Mücken. Auch im Darm von antarktischen Wirbellosen wurden Plastikpartikel gefunden – das heißt, Plastikmüll hat sich sogar in den Nahrungsnetzen der fragilen antarktischen Ökosysteme eingenistet.
