Aufbau einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft für Plastik durch Entwicklung hocheffizienter biokatalytischer Recyclingmethoden: Aufklärung und Optimierung der Aktivität des Kunststoff zersetzenden Enzyms TfCut2 mittels NMR-Spektroskopie

Stipendiatin/Stipendiat: Patricia Falkenstein

Kunststoffe sind in unserer Gesellschaft allgegenwärtig und finden aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften in nahezu jedem Bereich des Alltags Anwendung. Das spiegelt sich auch in der jährlich steigenden Produktionsmenge an Plastik wider, die 2018 bereits bei 359 Millionen Tonnen weltweit lag. Dabei wird der Großteil an Plastikprodukten aus fossilen Rohstoffen hergestellt und zudem innerhalb kurzer Zeit wieder entsorgt, was ein enormes Problem für die Umwelt darstellt. Eine Lösung hierfür bietet das stoffliche Recycling von Plastik, wobei knappe Ressourcen geschont und Plastikabfälle minimiert werden können.

Ein weit verbreiteter Kunststoff ist Polyethylenterephthalat (PET), das unter anderem für die Herstellung von Plastik-Getränkeflaschen verwendet wird. Das Recycling von PET findet heute aufgrund mangelnder Alternativen mechanisch oder chemisch statt. Allerdings entspricht das mechanische Recycling meist keinem geschlossenen Kreislaufsystem, da lediglich ein zusätzlicher Nutzungszyklus zugefügt wird. Für das chemische Recycling werden hohe Temperaturen und Drücke sowie giftige Chemikalien benötigt, was den Prozess kosten- und energieintensiv macht. Eine umweltfreundliche Alternative ist daher der biokatalytische Abbau von PET, der bei milden Bedingungen möglich ist. Ein Problem ist hierbei die begrenzte Leistung der bisher bekannten Enzyme. Um mithilfe von rationalem Proteindesign leistungsfähigere Enzyme für einen wirtschaftlichen Einsatz im Recycling entwickeln zu können, ist daher weitere Forschung zu Struktur- und Funktionsbeziehungen dieser Enzyme notwendig.

Deshalb möchte ich im Rahmen meiner Promotion das PET-abbauende Enzym TfCut2 aus dem Bakterium Thermobifida fusca KW3 in Hinsicht auf Struktur und Wechselwirkungen mit dem Substrat PET mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) untersuchen. Ziel ist es, die temperaturabhängige Struktur von TfCut2 mittels Flüssig-NMR-Spektroskopie vollständig aufzuklären. Für diese Experimente werden zuvor vollständig 13C-, 15N- und 13C/15N-isotopenmarkierte Proben des Enzyms hergestellt. Zudem sollen die Rolle der im aktiven Zentrum des Enzyms befindlichen katalytischen Triade, bestehend aus drei spezifischen Aminosäuren, bei der Substratbindung geklärt, sowie Oberflächen-Wechselwirkungen zwischen der Triade und dem Substrat PET mithilfe von Festkörper-NMR untersucht werden. Insgesamt soll somit der funktionelle Mechanismus des PET-Abbaus durch TfCut2 bei 60 °C, der optimalen Temperatur für diesen Prozess, aufgeklärt werden. Aus den über die Festkörper-NMR-Messungen erhaltenen Abständen kann schlussendlich ein Modell für die PET-Enzym-Bindung erstellt werden.

Mit dem Verständnis des exakten funktionellen Mechanismus des PET-Abbaus durch TfCut2 möchte ich die Optimierung von Enzymen für einen hocheffizienten biokatalytischen Abbau von Plastik ermöglichen und somit zur Etablierung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft mit einer hohen stofflichen Recyclingquote beitragen.

Förderzeitraum:
01.02.2019 - 30.04.2022

Institut:
Universität Leipzig
Fakultät für Analytische Chemie
Institut für Analytische Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Jörg Matysik

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Publikationen: