Diese Tiere können Bioplastik abbauen – und gewinnen daraus Energie

Ein Wurm ohne Mund und Darm müsste eigentlich verhungern. Olavius algarvensis tut das nicht – denn unter seiner Haut leben Bakterien, die einen ungewöhnlichen Vorrat anlegen: PHA, ein natürliches Bioplastik. Dabei handelt es sich um einen Kunststoff, den Mikroorganismen selbst herstellen und in ihren Zellen als Speicher für Kohlenstoff und Energie nutzen.

Der Wurm kann diesen Vorrat mit einem eigenen Enzym zerlegen und die frei werdenden Bausteine für seinen Stoffwechsel nutzen. Und offenbar ist das kein exotischer Sonderfall: Auch andere Tiere bauen natürliches Bioplastik ab. Forscher fanden entsprechende Enzyme bei über 60 Tierarten – vom Schwamm bis zum Regenwurm. Das könnte erklären, wie ein bislang übersehener Teil des Kohlenstoffs aus Mikroorganismen in Tiere und damit weiter durch Ökosysteme gelangt.

Insgesamt identifizierte das Team der Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie 195 sogenannte PHA-Depolymerasen, kurz PHADs, bei 66 Tierarten aus neun Tierstämmen.  Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature Ecology & Evolution. Vereinfacht gesagt: Tiere können offenbar auf Energiereserven zugreifen, die Mikroorganismen in Form von natürlichem Bioplastik speichern. Dieser Weg war bislang kaum bekannt.

Tiere bauen natürliches Bioplastik tatsächlich ab

PHA steht für Polyhydroxyalkanoate. Viele Bakterien und andere Mikroorganismen produzieren diese natürlichen Polyester als Vorrat für Kohlenstoff und Energie. Unter günstigen Bedingungen können solche Speicher einen großen Teil einer Zelle ausmachen. In manchen Mikroorganismen erreicht PHA bis zu 90 Prozent des Trockengewichts. Lange galten vor allem Bakterien und Pilze als Organismen, die größere PHA-Speicher vollständig enzymatisch zerlegen können.

Beim Meereswurm fanden die Wissenschaftler nun ein eigenes PHAD-Enzym. Es entsteht aus einem Gen des Tieres und unterscheidet sich deutlich vom entsprechenden Enzym seiner bakteriellen Mitbewohner. Im Labor zerlegte das Wurm-Enzym rund elf Prozent des verwendeten PHA-Polymers. Ein bekanntes bakterielles Vergleichsenzym kam unter denselben Bedingungen auf etwa 14 Prozent. Die Abbauprodukte bestanden aus kleineren Molekülen, die anschließend in bekannte Stoffwechselwege gelangen können.

Im Wurm steckt ein erstaunlich großer Kohlenstoffvorrat

Das lohnt sich für O. algarvensis offenbar. Sein dominanter bakterieller Symbiont lagert ungewöhnlich viel PHA ein. Bis zu 42 Prozent seines Kohlenstoffs können in diesem Speicher stecken. Bezogen auf Wurm und Bakterien zusammen sind es noch bis zu 14 Prozent des gesamten Kohlenstoffs. Pro Tier ermittelten die Forscher rund 0,7 Mikromol Kohlenstoff in Form von PHA.

Auch der Ort des Enzyms passt zu dieser Ernährung. Der Wurm bildet PHAD in seinen Epidermiszellen. Dort verdaut er seine Symbionten. Erst wenn die Bakterienzellen aufgebrochen sind, wird ihr PHA für das tierische Enzym zugänglich. Bei mehreren verwandten Würmern fanden die Wissenschaftler außerdem ein weiteres Enzym namens BHBD. Es hilft dabei, die aus PHA freigesetzten Moleküle weiter zu verstoffwechseln. Bei acht untersuchten Arten ließ sich dieses Enzym nachweisen.

Bioplastik-Enzyme tauchen bei ganz unterschiedlichen Tieren auf

Der Mechanismus blieb nicht auf darmlose Meereswürmer beschränkt. In Genomdaten fanden die Forscher PHAD-Enzyme auch bei Tieren mit normalem Verdauungssystem. Dazu gehören Schwämme, Weichtiere, Gliederfüßer und Ringelwürmer. Rund drei Viertel der vorhergesagten tierischen Enzyme besitzen ein Signalpeptid. Das spricht dafür, dass sie aus Zellen ausgeschleust und außerhalb der Zelle aktiv werden können.

Bei drei weit voneinander entfernten Tiergruppen prüfte das Team die Funktion genauer. Es stellte PHAD-Enzyme eines Schwamms, eines Regenwurms und eines Springschwanzes im Labor her. Alle vier getesteten Enzyme zerlegten verschiedene Formen des natürlichen Bioplastiks PHA. Dazu gehörten Polyhydroxybutyrat (PHB) sowie eine Mischung aus PHB und Polyhydroxyvalerat (PHV). Dabei entstanden messbare Mengen des Abbauprodukts Hydroxybutyrat. Damit ist der PHA-Abbau dieser Enzyme experimentell bestätigt.

Der Mechanismus könnte sehr alt sein

Die Verwandtschaft der PHAD-Enzyme deutet auf eine lange Evolutionsgeschichte hin. Nach Einschätzung der Experten könnte bereits ein gemeinsamer früher Vorfahr der Tiere solche Enzyme besessen haben. Diese Schlussfolgerung bleibt jedoch vorläufig. Die statistische Unterstützung des entsprechenden Astes im Stammbaum liegt bei 43,8 Prozent. Weitere Tier- und Protistengruppen müssen untersucht werden, bevor sich die Herkunft sicher rekonstruieren lässt.

Auch für den Kohlenstoffkreislauf könnte der Mechanismus relevant sein. Tiere nehmen PHA-haltige Mikroorganismen über Boden, Sedimente oder Detritus auf. Regenwürmer fressen beispielsweise Erde, in der bis zu 4,3 Mikrogramm Kohlenstoff pro Gramm als natürliches PHB gemessen wurden. Bei Springschwänzen fanden die Forscher sogar bis zu 14 PHAD-Varianten. Wie viel PHA Tiere in natürlichen Ökosystemen tatsächlich abbauen, ist allerdings noch unbekannt.

Industrielles Bioplastik bleibt eine offene Frage

Die Ergebnisse lassen sich deshalb nicht einfach auf Verpackungen oder andere Kunststoffprodukte übertragen. Natürliche mikrobielle PHA-Speicher unterscheiden sich strukturell von industriell hergestellten PHA-Kunststoffen. Auch die Abbauraten in Böden, Gewässern und Sedimenten sind bislang nicht bekannt. Die Autoren bezeichnen den tierischen PHA-Abbau dennoch als möglicherweise „unterschätzten Prozess im globalen Kohlenstoffkreislauf“.

Für technische Anwendungen eröffnet der Fund zumindest eine neue Forschungsrichtung. PHA macht derzeit weniger als vier Prozent des weltweiten Bioplastikmarktes aus. Die neu entdeckten Enzyme von Regenwürmern, Insekten und anderen Tieren könnten künftig darauf untersucht werden, ob sie auch beim Abbau PHA-basierter Kunststoffe helfen. Nachgewiesen ist dieser vollständige Abbau in natürlichen Ökosystemen bislang nicht.

Kurz zusammengefasst:

• Manche Tiere besitzen Enzyme, die natürliches Bioplastik aus Mikroorganismen abbauen können; solche Enzyme fanden Experten bei 66 Tierarten aus neun Tierstämmen.
• Bei einem Meereswurm entstehen aus dem PHA-Abbau Stoffe, die weiter verstoffwechselt werden können und ihm vermutlich als Kohlenstoff- und Energiequelle dienen.
• Der Vorgang könnte zum natürlichen Kohlenstoffkreislauf beitragen, seine Bedeutung in Ökosystemen ist bisher aber noch nicht ausreichend untersucht.

Übrigens: Während manche Tiere natürliches Bioplastik abbauen können, transportiert Mikroplastik im Meer teils hartnäckige Schadstoffe und nimmt weitere Chemikalien aus dem Wasser auf. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Alexander Gruhl/ MPI f. marine Mikrobiologie