In den Ozeanen sammeln sich riesige Mengen Plastikmüll in sogenannten Müllstrudeln („Great Garbage Patches“) an und werden den dort lebenden Organismen zum Verhängnis. Das liegt daran, dass die heute verwendeten synthetischen Plastik-Polymere nur sehr langsam biologisch, also durch Mikroorganismen, zersetzt werden können. Stattdessen führt die physikalische Fragmentierung der Materialien zu Mikro- und Nanoplastik. Auf dem in der Umwelt befindlichen Plastikmüll siedeln sich allerdings Mikroben an und bilden so einen Biofilm in einem ganz eigenen mikrobiellen Lebensraum, den die Forschung als „Plastisphäre“ bezeichnet.

Ein in solchen Bakterien neu entdecktes Enzym weckt die Hoffnung, dass Mikroorganismen sich schneller als erwartet auf den Abbau von Plastik spezialisieren könnten. Ein Forschungsteam der Universität Konstanz stieß auf das bislang unbekannte Enzym, das nicht nur bestimmte Polyester- und Bio-Plastikarten zersetzen kann, sondern den Bakterien zudem eine Antibiotika-Resistenz verleiht. Aufgrund seiner Struktur mit weit geöffnetem aktivem Zentrum bezeichnen die ForscherInnen den „Plastikfresser“ als „Pac‑Man Enzym“. Der Mensch kann den Plastikabbau in der Umwelt unterstützen, indem er bestenfalls nur noch Bioplastik verwendet, das sich von den Mikroorganismen zerlegen lässt.

Das Forschungsprojekt
In ihrem Forschungsprojekt untersuchten Harry Lerner (Erstautor), Mikrobiologe und damals Postdoc an der Universität Konstanz, sowie David Schleheck, Professor für Mikrobielle Ökologie und Limnische Mikrobiologie, die vollständige mikrobielle Zersetzung von Bioplastik. Zugleich erforschten sie die Zusammensetzung sowie die gesamte Erbinformation (das Metagenom) der daran beteiligten Mikrobengemeinschaft. Dabei handelte es sich um Bioplastik-Materialien, die die Gruppe um Stefan Mecking, Professor für Chemische Materialwissenschaft an der Universität Konstanz, entwickelt hat – die sogenannten Langkettigen Aliphatischen Polyester (LCAP). Ihre gemeinsame Studie wurde nun im renommierten The ISME Journal veröffentlicht.

„In unserer Umwelt ist die Plastisphäre ein neues Habitat. Der Mensch bringt Plastik erst seit etwa 50 bis 75 Jahren in relevanten Mengen in die Umwelt ein. Seitdem steht es den mikrobiellen Gemeinschaften – beispielsweise Bakterien, Hefen und Pilzen – eigentlich als zusätzliches Kohlenstoff- und Energiesubstrat für ihr Wachstum zur Verfügung. Mit ‚eigentlich‘ meine ich, dass sie das Plastik sicherlich gerne als Wachstumssubstrat verwenden würden – aber das können sie nicht, denn die Materialien sind für den mikrobiellen Stoffwechsel praktisch unverdaulich und werden deshalb kaum abgebaut.“

David Schleheck

Hartplastik aus Polyethylen (High-Density Polyethylen, HDPE) beispielsweise braucht mehrere Hundert bis wenige Tausend Jahre, bis es sich in der Natur vollständig biologisch zersetzt hat.

Wie ging das Forschungsteam bei seiner Studie vor? „Wir vergruben kleine Stücke an Folie des LCAP-Bioplastiks in der obersten Humusschicht im Wald des Botanischen Gartens der Universität, etwa zehn Zentimeter tief“, erklärt Harry Lerner. „In dieser Schicht findet nämlich der Abbau von Zellulose und von anderen natürlichen Polymeren wie Cutin, einem pflanzlichen Polyester, statt.“ Gleichzeitig vermischte das Team ein Pulver des Bioplastiks in Proben desselben Waldbodens im Labor. Die Proben im Wald wurden für ein ganzes Jahr so belassen, während bei den Proben im Labor der Abbau der Materialien über die CO₂-Produktion und damit die mikrobielle Respiration sehr detailliert verfolgt wurde – ebenso über ein ganzes Jahr hinweg. „Als Referenzen im Labor dienten Zellulose, andere Bioplastik-Arten wie PHBV und PCL, sowie HDPE und unbehandelter Boden als Negativkontrolle. Bei allen Bioplastik-Materialien konnten wir einen vollständigen Abbau innerhalb von etwa 250 bis 330 Tagen nachweisen, bei Zellulose nach etwa 80 Tagen, während bei HDPE praktisch gar nichts passierte“, beschreibt Lerner.

© The ISME Journal, DOI 10.1093/ismejo/wrag203, Figure 1. Creative Commons Attribution (CC BY) license, unchanged Figure 1 in the article

Elektronenmikroskopische Aufnahmen einer LCAP-Plastikfolie nach einjähriger Inkubation im Waldboden in zunehmender Vergrößerung (a–d), wie an den Größenskalen zu erkennen ist. Zu sehen sind mikrometergroße Löcher in der Plastikfolie, die genau der Größe und Form einzelner Bakterienzellen entsprechen. Die Pfeile in Abbildung c zeigen auf die Abdrücke verschieden großer Bakterienzellen, der Pfeil in Abbildung d zeigt auf eine vermutliche Bakterienzelle in einem der Löcher. Die Folie wurde aus sehr trockenem Waldboden (Sommer 2022) entnommen und war deshalb vermutlich nur wenig durch aktive Mikroorganismen besiedelt.

Um herauszufinden, welche Mikroben sich beim Abbau der Bioplastik-Materialien in den Bodenproben anreichern und mit welchen Enzymen, sogenannten extrazellulären Plastik-Depolymerasen, der Abbau der Materialien bewerkstelligt wird, extrahierte Harry Lerner die Gesamt-DNA der Organismengemeinschaft im Boden, sequenzierte diese und analysierte die großen Datenmengen mit viel Geduld und Sorgfalt. Nur mithilfe solcher Enzyme können Bakterien Feststoffe wie Plastikmaterial zuerst außerhalb der Zelle in Bruchstücke – in Monomere und Oligomere – zerlegen. Diese wasserlöslichen Monomere und Oligomere können anschließend in die Zellen aufgenommen und dem zentralen Stoffwechsel zugeführt werden und so das Wachstum der Mikroben antreiben.

Ein unerwarteter Fund
Zuvor wartete aber noch eine Überraschung auf die Forschenden, und zwar bei der Untersuchung der Folien aus dem Waldboden: Im Elektronenmikroskop wurde sichtbar, dass sich mikroskopisch kleine Löcher in der Folie gebildet hatten. Und diese Löcher hatten genau die Größe und Form einzelner Bakterienzellen.

„Bakterien könnten – das war unsere Vermutung – mit fest auf ihrer Zelloberfläche verankerten Plastik-Depolymerasen beschichtet sein, sich quasi in das Material hineinverdauen und deshalb in der Folie versinken. Dabei hinterlassen sie jeweils solch winzige Löcher. Das war unser Heureka-Moment, weil diese Vorstellung in eine ganz andere Richtung geht als die, die in der Mikrobiologie derzeit üblich ist: nämlich dass die Plastik-Depolymerasen von den Bakterien einfach frei in die Umgebung ausgeschieden werden.“

Harry Lerner und David Schleheck

Mit diesen Bildern im Kopf durchsuchten die Mikrobiologen die DNA-Sequenzdatenbank und fanden ein Gen, das sich allein im Waldboden mit LCAP stark angereichert hatte. Es kodiert für ein sogenanntes Esterase-Enzym, das sowohl ein Sekretionssignal – sozusagen eine Art Adressetikett für den Export nach außerhalb der Zelle – als auch einen sogenannten Membrananker (Lipidanker) besitzt. Letzterer ermöglicht die feste Bindung des Enzyms an die Zelloberfläche.

Mit dem Enzym ergab sich noch eine weitere Überraschung: „Es zeigt eine strukturelle Ähnlichkeit zu Esterasen, aber auch zu Betalaktamasen, also zu bakteriellen Enzymen, die in der Lage sind, den Betalaktam-Ring bestimmter Antibiotika wie Penicillin zu spalten und damit den Bakterien eine Antibiotika-Resistenz zu vermitteln“, so Lerner. Und tatsächlich konnten die Forscher die biochemische Doppelfunktion des Enzyms, einerseits Polyester in Monomere zu zerlegen und andererseits Penicillin zu spalten, auch im Labor nachweisen. „Prinzipiell katalysiert das Enzym dieselbe Reaktion, eine Hydrolyse, und auch die Verankerung auf der Außenseite der Zelle ist für beide Funktionen von großem Vorteil für die Bakterien. Einerseits können die Plastik-Monomere so möglichst nahe an der Zelloberfläche hergestellt werden, sodass sie schnell aufgenommen werden und nicht davonschwimmen und von anderen Bakterien der Plastisphäre ‚geklaut‘ werden können. Andererseits wird das Antibiotikum bereits außerhalb der Zelle inaktiviert, sodass es innerhalb der Zelle keinen Schaden anrichten kann”, erläutert Schleheck.

Lerner ergänzt: „Andere Mikrobiologen hatten sich über die Häufigkeit von Antibiotikaresistenzgenen in der Plastisphäre gewundert. Diese könnte somit als Vektor für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt dienen. Unsere Ergebnisse könnten bedeuten, dass sich, wie im Falle des hier entdeckten Enzyms, eine Doppelfunktion entwickeln kann, die den Organismen in der Plastisphäre einen doppelten evolutionären Vorteil verschafft.“ Es könnte aber auch sein, dass sich manche solcher Enzyme in den Mikroorganismen der Plastisphäre inzwischen ganz auf den Plastik-Abbau spezialisieren, während die Betalaktamase-Aktivität ein evolutionäres Überbleibsel ist.

„Das macht mir persönlich Hoffnung, denn es sieht so aus, als könnten sich Bakterien auf den Abbau von Polyester-Plastikarten schneller spezialisieren als gedacht. Für die Lösung des Plastikproblems in der Umwelt bedeutet dies, dass wir Menschen den Mikroben entgegenkommen müssen und in Zukunft bestenfalls nur noch Polymere verwenden, die solche biochemischen Sollbruchstellen besitzen wie die hydrolysierbaren Ester-Brücken in Polyestern, beispielsweise in LCAP oder anderen Bioplastikarten. Also für den Fall, dass Plastik dem Recycling entgeht und doch als Müll in die Umwelt gelangt.”

David Schleheck

Damit aber noch nicht genug – denn es gab noch eine weitere Überraschung mit dem neu entdeckten Enzym, wieder über das Strukturmodell: „Das dreidimensionale Modell des Enzyms offenbart ein übermäßig weit geöffnetes aktives Zentrum, so weit, dass große und sperrige Substrate wie Polymerketten und Penicillin besonders gut binden und hydrolysiert werden können“, beschreibt Lerner. „Und aufgrund der Gestalt des Enzyms, aber auch seiner Aktivitäten wegen, bezeichnen wir es als das ‚Pac‑Man Enzym‘“, ergänzt Schleheck und lacht.

© The ISME Journal, DOI 10.1093/ismejo/wrag203, Creative Commons Attribution (CC BY) license, Figure 7 in the article, cropped to panels (a) and (b) only

Die Abbildung zeigt ein Strukturmodell der neu entdeckten Plastik-Depolymerase, das mit AlphaFold3 modelliert wurde. Es weist ein besonders weit geöffnetes aktives Zentrum auf, an dem große Substrate wie Polymerketten binden können. Die Modelle der an das aktive Zentrum gebundenen Substrate (modelliert mit AutoDock 4) sind auf der rechten Seite dargestellt: für die Bioplastikarten PCL und LCAP (PE-12,12) sowie für das Betalaktam-Antibiotikum Ampicillin. Ganz links im Strukturmodell ist eine Art Fortsatz erkennbar, an dem der Membrananker (Lipidanker) angebracht werden kann.

Titelbild: The ISME Journal, DOI 10.1093/ismejo/wrag203, Creative Commons Attribution (CC BY) license,
Figure 7 in the article, cropped to panels (a) and (b) only