„Pac-Man-Enzym“ frisst sich durch Plastik – und kann sogar Antibiotika unschädlich machen

Plastik kann Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte in der Umwelt überdauern, weil viele Mikroorganismen die langen Kunststoffketten nicht verwerten können. Doch manche Bakterien haben offenbar einen Weg gefunden, bestimmte Bioplastikarten regelrecht anzuknabbern. Forscher der Universität Konstanz entdeckten ein Plastik-abbauendes Enzym, das wahrscheinlich direkt an der Oberfläche solcher Bakterien sitzt und Polyesterketten in verwertbare Bausteine zerlegt.

Unter dem Elektronenmikroskop fanden die Wissenschaftler dazu ein bemerkenswertes Indiz: Auf Kunststofffolien aus Waldboden blieben winzige, bakterienförmige Vertiefungen zurück. Das Enzym könnte also genau dort arbeiten, wo das Bakterium den Kunststoff berührt. Sein weit geöffnetes aktives Zentrum erinnert zudem an die Videospielfigur Pac-Man – und passt erstaunlich gut zu seiner Aufgabe: große Moleküle zu packen und chemisch zu zerlegen.

Plastik-abbauendes Enzym hilft Bakterien beim Zerlegen des Kunststoffs

Für ihre Versuche nutzten die Wissenschaftler spezielle langkettige aliphatische Polyester, kurz LCAP. Diese Kunststoffe können ähnliche Materialeigenschaften wie herkömmliches Polyethylen besitzen, sind chemisch aber so aufgebaut, dass Mikroorganismen sie grundsätzlich abbauen können. Entwickelt wurden die Materialien von einer Forschungsgruppe um den Konstanzer Chemiker Stefan Mecking. Die Ergebnisse des Teams um Harry Lerner und David Schleheck erschienen im Fachjournal The ISME Journal.

Ein Teil der Kunststofffolien lag mehr als ein Jahr im Waldboden des Botanischen Gartens der Universität Konstanz. Parallel mischten die Forscher verschiedene Kunststoffe als Pulver unter Waldboden im Labor. Über die entstehende Menge an Kohlendioxid konnten sie verfolgen, wie stark Mikroorganismen das jeweilige Material verwerteten.

Bestimmte Bioplastikarten verschwinden innerhalb weniger Monate

Bei zwei untersuchten LCAP-Varianten war der biologische Abbau nach etwa acht bis zehn Monaten nahezu abgeschlossen. Auch andere biologisch abbaubare Kunststoffe wurden weitgehend mineralisiert. Gewöhnliches HDPE verhielt sich dagegen völlig anders: Hier entstanden nur sehr geringe Mengen Kohlendioxid. Ein nennenswerter biologischer Abbau blieb aus.

Die Unterschiede liegen in der Chemie der Materialien. LCAP-Kunststoffe enthalten Esterbindungen, die Enzyme spalten können. Polyethylen besteht dagegen aus besonders stabilen Kohlenstoffketten. Mikroorganismen kommen daran wesentlich schwerer heran.

Bakterien hinterlassen ihre Spuren direkt im Kunststoff

Nach mehr als einem Jahr wirkten die Folien äußerlich noch weitgehend intakt. Unter dem Elektronenmikroskop waren jedoch zahlreiche kleine Vertiefungen zu erkennen. Viele davon hatten ungefähr die Größe und Form von Bakterienzellen.

Für Lerner und Schleheck war das ein entscheidender Hinweis. „Das war unser Heureka-Moment“, erklärten die Wissenschaftler. Die Spuren passten zu der Vermutung, dass manche Mikroorganismen ihr Kunststoff spaltendes Werkzeug unmittelbar an der Zelloberfläche tragen.

Dadurch hätten die Bakterien mehrere Vorteile:

• Das Enzym bleibt direkt am Ort des Abbaus.
• Die freigesetzten Bausteine entstehen unmittelbar an der Zelloberfläche.
• Das Bakterium kann sie aufnehmen, bevor andere Mikroorganismen sie nutzen.
• Besonders im Wasser geht das Enzym nicht so leicht in der Umgebung verloren.

„Pac-Man-Enzym“ besitzt ein ungewöhnlich offenes Maul

Bei der Suche nach den beteiligten Enzymen stieß das Team schließlich auf LCPH1, eine sogenannte Esterase. Computersimulationen ergaben eine auffällige Struktur: Das aktive Zentrum liegt nicht tief in einem engen Kanal, sondern in einer breiten, offenen Furche.

Dadurch können auch größere Moleküle an die entscheidende Stelle des Enzyms gelangen. Form und Funktion erinnerten die Forscher an die Videospielfigur Pac-Man. Im Labor bestätigte sich anschließend, dass LCPH1 die untersuchten Polyester tatsächlich zerlegen kann.

Das Enzym greift überraschend auch Antibiotika an

LCPH1 ähnelt strukturell Enzymen, mit denen Bakterien bestimmte Antibiotika unschädlich machen. Im Labor spaltete es tatsächlich β-Laktam-Antibiotika.

Dazu gehört beispielsweise Ampicillin. Nach Kontakt mit LCPH1 verlor das Antibiotikum in einem Versuch seine hemmende Wirkung auf Bakterien. Das Enzym kann damit sowohl bestimmte Polyester zerlegen als auch einzelne Antibiotika chemisch verändern.

Plastikabbau und Antibiotikaresistenz könnten zusammenhängen

Auf Plastikoberflächen bilden sich häufig Gemeinschaften aus Bakterien und anderen Mikroorganismen. In diesen sogenannten Plastisphären finden Forscher vergleichsweise oft Gene, die mit Antibiotikaresistenzen verbunden sind.

Ein Enzym wie LCPH1 könnte seinem Träger gleich zwei Vorteile verschaffen: Es erschließt bestimmte Polyester als Nahrungsquelle und kann zugleich Schutz vor β-Laktam-Antibiotika bieten. Wie häufig solche Enzyme in natürlichen Lebensräumen vorkommen, ist bislang offen.

Das Plastik-abbauende Enzym löst das Müllproblem nicht

Für David Schleheck ist die Entdeckung dennoch ermutigend. „Das macht mir persönlich Hoffnung“, sagt der Mikrobiologe laut Aussendung der Universität Konstanz. Kunststoffe gelangen erst seit wenigen Jahrzehnten in großen Mengen in die Umwelt. Trotzdem können manche Mikroorganismen bereits bestimmte synthetische Polyester verwerten.

LCPH1 ist allerdings kein universeller Plastikfresser. Das Plastik abbauende Enzym greift bestimmte Polyester mit spaltbaren chemischen Bindungen an. Herkömmliches Polyethylen blieb in den Versuchen nahezu unangetastet. Biologisch abbaubare Kunststoffe müssten deshalb gezielt solche Bindungen enthalten, damit Mikroorganismen sie nach Gebrauch tatsächlich zersetzen können.

Kurz zusammengefasst:

• Forscher aus Konstanz haben ein Enzym entdeckt, das bestimmte Bioplastikarten abbauen kann – aber gewöhnliches Polyethylen kaum angreift.
• Das „Pac-Man-Enzym“ sitzt wahrscheinlich direkt am Bakterium und zerlegt dort lange Kunststoffketten in kleinere, verwertbare Bausteine.
• Überraschend ist seine zweite Fähigkeit: Es kann auch β-Laktam-Antibiotika wie Ampicillin unschädlich machen.

Übrigens: Auch Nobelpreisträger David Baker arbeitet an Enzymen gegen Plastik – sein Team hat mithilfe von KI ein Protein entwickelt, das gezielt PET zerlegen soll. Wie künstlich entworfene Enzyme Recycling künftig effizienter machen könnten, mehr dazu in unserem Artikel.

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