EPFL-Ingenieure mit neuer Sichtweise
Zwei Ingenieure der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) haben eine revolutionäre neue Methode zur Bekämpfung der Plastikverschmutzung entwickelt, indem sie sich das Innenleben der Proteine zunutze machen. Das Ergebnis? Eine völlig neue Sichtweise auf das Recycling von Kunststoffen – am 23.09.2021 open access in Advanced Materials veröffentlicht: aus Aminosäuren bestehende Proteine.
Vermüllung mit Plastik – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Jeder Mensch verbraucht im Durchschnitt 30 kg Plastik pro Jahr. Da die weltweite Lebenserwartung derzeit bei etwa 70 Jahren liegt, wirft jeder Mensch in seinem Leben etwa zwei Tonnen Plastik weg. Multipliziert man dies mit der Zahl der Menschen auf der Erde – die ständig wächst -, so ergibt sich eine schwindelerregende Summe. Francesco Stellacci, Ordinarius und Leiter des Labors für supramolekulare Nanomaterialien und Grenzflächen an der EPFL School of Engineering, hat sich daher Gedanken gemacht, wie man das Problem der gebrauchten Kunststoffe lösen und sie besser recyceln könnte. Stellacci nahm eine Zusammenarbeit mit Prof. Sebastian J. Maerkl vom Institut für Bioengineering der EPFL auf, und die beiden beschlossen, gemeinsam eine Doktorandin, Simone Giaveri, zu betreuen.
Nachdem sie die bestehenden Möglichkeiten des Kunststoffrecyclings geprüft hatten, beschlossen die Ingenieure, einen völlig neuen Ansatz zu entwickeln – Stellacci: „Wenn wir biologisch abbaubare Kunststoffe verwenden, hinterlässt der Abbauprozess Rückstände, die gelagert oder vergraben werden müssen. Je mehr Land dafür zur Verfügung steht, desto weniger Land steht für die Landwirtschaft zur Verfügung, und es sind auch ökologische Folgen zu berücksichtigen, da das biologische Abbauprodukt zwangsläufig das Ökosystem des Gebiets verändert“. Wie können wir also eine umfassende Lösung für das Problem des Kunststoffrecyclings finden? Ein Teil der Antwort könnte sehr wohl von der Natur selbst kommen.
Eine Perlenkette
Proteine sind unter den wichtigsten organischen Verbindungen, aus denen unsere Welt aufgebaut ist. Wie die DNA gehören sie zur Familie der Polymere; Proteine sind lange Ketten von Molekülen oder Monomeren, die als Aminosäuren bekannt sind. „Ein Protein ist wie eine Perlenkette, bei der jede Perle eine Aminosäure ist. Jede Perle hat eine andere Farbe, und die Farbreihenfolge bestimmt die Struktur der Kette und damit ihre Eigenschaften. In der Natur zerfallen die Proteinketten in die einzelnen Aminosäuren, und die Zellen fügen diese Aminosäuren wieder zusammen, um neue Proteine zu bilden, d. h. sie schaffen neue Perlenketten mit einer anderen Farbfolge“, erklärt Giaveri.
Im Labor hat Giaveri zunächst versucht, diesen natürlichen Zyklus außerhalb lebender Organismen zu replizieren. „Wir wählten Proteine aus und teilten sie in Aminosäuren auf. Dann haben wir die Aminosäuren in ein zellfreies biologisches System gegeben, das die Aminosäuren wieder zu neuen Proteinen mit ganz anderen Strukturen und Anwendungen zusammengesetzt hat“, erklärt er. So gelang es Giaveri und Stellacci beispielsweise, Seide in ein Protein umzuwandeln, das in der Biomedizintechnik verwendet wird. „Wichtig ist, dass die Qualität der auf diese Weise zerlegten und zusammengesetzten Proteine genau die gleiche ist wie die eines neu synthetisierten Proteins. Man baut in der Tat etwas Neues auf“, sagt Stellacci.
Auch Plastik ist ein Polymer
Worin besteht nun die Verbindung zwischen dem Zusammenbau von Proteinen und dem Recycling von Kunststoffen? Da es sich bei beiden Verbindungen um Polymere handelt, könnten die in Proteinen natürlich vorkommenden Mechanismen auch auf Kunststoffe angewendet werden. Auch wenn diese Analogie vielversprechend klingt, warnt Stellacci, dass die Entwicklung solcher Methoden nicht über Nacht geschehen wird. „Es erfordert eine radikal andere Denkweise. Polymere sind Perlenschnüre, aber synthetische Polymere bestehen meist aus Perlen derselben Farbe, und wenn die Farbe unterschiedlich ist, spielt die Reihenfolge der Farben kaum eine Rolle. Außerdem haben wir keine effiziente Möglichkeit, synthetische Polymere aus verschiedenfarbigen Perlen so zusammenzusetzen, dass ihre Reihenfolge kontrolliert werden kann.“ Er weist aber auch darauf hin, dass dieser neue Ansatz für das Kunststoffrecycling der einzige zu sein scheint, der wirklich dem Postulat der Kreislaufwirtschaft entspricht. „In Zukunft wird Nachhaltigkeit bedeuten, das Upcycling auf die Spitze zu treiben, viele verschiedene Gegenstände zusammen zu werfen und das Gemisch zu recyceln, um jeden Tag ein anderes neues Material herzustellen. Die Natur macht das bereits“, sagt er abschließend.
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