Neues Plastikabbauendes Enzym in Bakterien entdeckt

Forschende der Universität Konstanz haben in Bakterien ein neuartiges Enzym identifiziert, das sowohl synthetische Polyester-Kunststoffe hydrolysieren als auch Beta-Laktam-Antibiotika wie Penicillin inaktivieren kann. Die als „Pac-Man-Enzym“ bezeichnete Esterase bietet fundamentale Einblicke in den mikrobiellen Abbau in der Plastisphäre und beleuchtet zugleich die funktionelle Evolution von Antibiotikaresistenzen in Umweltbiotopen.

In marinen Ökosystemen führen physikalische Scherkräfte und UV-Strahlung primär zur Fragmentierung von konventionellem Plastikmüll in Mikro- und Nanoplastik. Auf diesen Oberflächen bilden Mikroorganismen spezifische Biofilme aus. Die Entdeckung der biochemischen Plastik-Depolymerase zeigt, dass sich mikrobielle Gemeinschaften selektiv an diese anthropogenen Kohlenstoffquellen anpassen können.

Experimentelles Studiendesign und Abbaukinetik

In einem interdisziplinären Forschungsprojekt untersuchten die Konstanzer Mikrobiologen Harry Lerner und Prof. Dr. David Schleheck die mikrobielle Mineralisierung von langkettigen aliphatischen Polyestern (LCAP), die von einer Arbeitsgruppe um den Chemiker Prof. Dr. Stefan Mecking synthetisiert wurden. Das Studiendesign kombinierte In-situ-Expositionen im Freiland mit mesokosmischen Respirationsmessungen im Labor über einen Zeitraum von 365 Tagen.

„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.“

Parallel dazu wurde die mikrobielle Respiration über die CO₂-Freisetzung in bodenhaltigen Laboransätzen quantifiziert. „Als Referenzen im Labor dienten Zellulose, andere Bioplastik-Arten wie PHBV und PCL, sowie Hartplastik (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.

Rasterelektronenmikroskopie und Metagenomanalyse

Bei der morphologischen Charakterisierung der im Waldboden exponierten LCAP-Folien mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurden fokale Vertiefungen identifiziert, deren Abmessungen exakt der Morphologie einzelner Bakterienzellen entsprachen. „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“, erklärt Lerner.

Die anschließende Schrottschuss-Sequenzierung der Gesamt-DNA (Metagenomanalyse) der LCAP-angereicherten Bodenproben führte zur Identifizierung eines spezifischen Esterase-Gens. Das exprimierte Protein besitzt sowohl eine N-terminale Signalsequenz für die Sezernierung als auch einen C-terminalen Lipidanker zur kovalenten Fixierung an der äußeren Bakterienmembran.

Biochemische Bifunktionalität und Strukturähnlichkeit

Strukturanalysen des Enzyms offenbarten ein weit geöffnetes aktives Zentrum. Überraschenderweise zeigt das Enzym signifikante Homologien zu Beta-Laktamase-Klassen. „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. Die in vitro-Charakterisierung bestätigte die duale Aktivität: Die enzymatische Hydrolyse von Esterbindungen im LCAP-Polyester zu Monomeren sowie die Spaltung des Beta-Laktam-Rings von Penicillin.

Evolutionary Adaptionen in der Plastisphäre

Die Erschließung der Plastisphäre als ökologische Nische verdeutlicht die biochemische Plastizität mikrobieller Genome unter Selektionsdruck. „In unserer Umwelt ist die Plastisphäre ein neues Habitat“, betont Schleheck. „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.“

Das nachgewiesene Membranenzym belegt jedoch fortschreitende Spezialisierungsprozesse in Umweltisolaten. „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. Sie sollen 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”, sagt Schleheck.

Quelle

Informationsdienst Wissenschaft e. V. / Universität Konstanz (09/2026)