In de diepten van de oceaan, onzichtbaar voor het menselijk oog, leven miljoenen micro-organismen die hun eigen strijd voeren tegen milieuvervuiling. In dat microscopische rijk hebben wetenschappers onlangs een belangrijke aanwijzing ontdekt over hoe sommige van deze minuscule bewoners evolueren om plastic om te zetten in voedsel.
Een internationaal team onder leiding van de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) heeft een uniek enzym geïdentificeerd, bekend als M5, dat bepaalde mariene bacteriën in staat stelt polyethyleentereftalaat (PET) af te breken, het meest gebruikte plastic in flessen, verpakkingen en textielvezels.
De bevinding, gepubliceerd in het tijdschrift Oxford Academic, biedt een geheel nieuwe kijk op hoe het zeeleven reageert op de impact van de mens. In plaats van weerloos te blijven tegenover afval, lijken sommige bacteriën moleculaire instrumenten te hebben ontwikkeld die plastic als nieuwe energiebron benutten.
“Het M5-motief fungeert als een vingerafdruk die ons vertelt wanneer een PETase waarschijnlijk functioneel is en in staat is om PET-plastic af te breken”, legt Carlos Duarte, marien ecoloog en mededirecteur van de studie, uit. “Hun ontdekking helpt ons te begrijpen hoe deze enzymen zijn geëvolueerd uit andere koolwaterstofafbrekende enzymen.”
De studie, gepubliceerd door onderzoekers van KAUST in samenwerking met specialisten op het gebied van bio-informatica en mariene biologie, combineerde genetische analyse, door kunstmatige intelligentie aangestuurde structurele modellering en laboratoriumexperimenten.
De conclusie was even duidelijk als verbazingwekkend: de oceanen herbergen een wereldwijd netwerk van microben die zijn uitgerust met functionele varianten van dit enzym, en het M5-motief is de sleutel om ze te herkennen.
Een moleculaire signatuur die de ‘recyclers’ van de oceaan onthult
De geschiedenis van plastic en micro-organismen kruiste elkaar voor het eerst in 2016, toen Japanse wetenschappers een bacterie ontdekten die zich kon voeden met plastic afval in een recyclingfabriek. Sindsdien vroegen onderzoekers zich af of er in mariene ecosystemen, die veel kouder, donkerder en vijandiger zijn, vergelijkbare enzymen zouden kunnen bestaan.
Het nieuwe onderzoek biedt een overtuigend antwoord. Na analyse van meer dan 400 oceaanmonsters uit de zeven zeeën vonden de onderzoekers functionele versies van het M5-motief in bijna 80 % van de onderzochte wateren. De bacteriën die deze genetische signatuur dragen, kwamen zowel aan de oppervlakte voor – waar het drijvende plastic zich ophoopt – als in abyssale diepten tot tweeduizend meter, waar natuurlijke voedingsstoffen schaars zijn.
In deze extreme gebieden kan het vermogen om synthetische koolstof te metaboliseren het verschil betekenen tussen leven en dood voor microben. Intikhab Alam, senior onderzoeker in bio-informatica en mededirecteur van het onderzoek, benadrukte dat bacteriën die het M5-motief dragen, plastic lijken te hebben omgezet in een haalbaar alternatief voor energie. “In de oceaan, waar koolstof schaars is, lijken microben deze enzymen te hebben geperfectioneerd om gebruik te maken van deze nieuwe kunstmatige koolstofbron: plastic”, voegde Duarte toe.
De sleutel ligt in de structuur. PETase-enzymen die het M5-motief bevatten, hebben een kenmerkende driedimensionale configuratie waardoor ze de ketens van het PET-polymeer kunnen herkennen en afbreken, waardoor het wordt omgezet in eenvoudigere fragmenten die andere micro-organismen kunnen opnemen. Varianten zonder dit motief, pseudo-PETasen genaamd, missen het nodige katalytische vermogen of werken in op andere verbindingen.
Om dit aan te tonen, gebruikte het team een op motieven gebaseerd classificatiesysteem. Met behulp van algoritmen voor structurele voorspelling met kunstmatige intelligentie ontwikkelden ze een model dat in staat is om onderscheid te maken tussen functionele en niet-functionele enzymen. Vervolgens voerden ze laboratoriumtests uit om hun voorspellingen te verifiëren. Alleen bacteriën die het M5-motief bevatten, slaagden erin om het plastic onder gecontroleerde omstandigheden af te breken, met een efficiëntie van 25 tot 50 % van de oorspronkelijke PETase die in 2016 werd ontdekt.
Metagenomische analyse van de monsters toonde bovendien aan dat de meeste mariene PETasen worden gecodeerd door leden van de orde Pseudomonadales, een groep bacteriën die bekend staat om hun metabolische veelzijdigheid. Deze oceaanversies lijken te zijn geëvolueerd uit koolwaterstofafbrekende enzymen, wat wijst op een natuurlijke overgang van de consumptie van organische verbindingen naar synthetische verbindingen die door menselijke activiteit worden gegenereerd.
Een wereldwijde kaart van de microbiële evolutie ten opzichte van plastic
De ontdekking van het M5-motief is meer dan alleen een biologische curiositeit: het is tastbaar bewijs van de versnelde evolutionaire aanpassing als gevolg van menselijke vervuiling. Naarmate de oceanen vollopen met plastic, reageren micro-organismen met genetische veranderingen die hen in staat stellen gebruik te maken van deze nieuwe koolstofbron.
“Ecologisch gezien duidt de toename van deze enzymen op een vroege microbiële reactie op de door de mens veroorzaakte vervuiling van de planeet”, waarschuwde Duarte. Hij wees echter ook op de beperkingen van dit natuurlijke proces. “Tegen de tijd dat het plastic de diepzee bereikt, zijn de risico’s voor het zeeleven en de menselijke consument al een feit”, vatte hij samen.
De onderzoekers benadrukken dat de snelheid van natuurlijke afbraak nog steeds te laag is om de snelheid waarmee plastic zich in de oceanen ophoopt te compenseren. Volgens recente schattingen wordt er elk jaar tussen de 8 en 12 miljoen ton plastic afval in zee gedumpt, en wordt minder dan 10 % effectief gerecycled op het vasteland. De werking van microben is weliswaar veelbelovend, maar kan deze trend op zichzelf niet omkeren.
Waar het wel een onmiddellijk verschil zou kunnen maken, is in de ontwikkeling van biotechnologieën voor industriële recycling.
De enzymen die spontaan in de diepzee zijn geëvolueerd, bieden een realistisch model voor het optimaliseren van PET-afbraakprocessen onder oncontroleerbare omstandigheden.
“De verscheidenheid aan enzymen die PET afbreken en die spontaan in de diepzee zijn geëvolueerd, biedt modellen die in het laboratorium kunnen worden geoptimaliseerd voor gebruik bij de efficiënte afbraak van kunststoffen in verwerkingsinstallaties en uiteindelijk ook thuis”, aldus Duarte.
Het M5-motief fungeert in dit opzicht als een structurele leidraad voor het ontwerpen van krachtigere en stabielere versies van het enzym. Door te begrijpen welke delen van het molecuul essentieel zijn voor de herkenning van het substraat en de katalyse, kunnen eiwitingenieurs die architectuur repliceren of verbeteren om effectievere biologische hulpmiddelen te creëren.
Tegelijkertijd bieden de gegevens uit het onderzoek een ongekend inzicht in het algemene metabolisme van de oceanen. De onderzoekers ontdekten dat PETasen met het M5-motief zowel actief zijn in sterk vervuilde gebieden, zoals de Noord- en Zuid-Pacifische gyres, als in diepe delen van de Atlantische Oceaan. Deze verspreiding suggereert dat de selectieve druk van plasticvervuiling zelfs de meest afgelegen ecosystemen al aantast.
Van het laboratorium naar de toekomst van recycling
De ontdekking betekent niet dat de oceaan zichzelf ‘schoont’, maar biedt een natuurlijk model voor biologische engineering dat inspiratie kan bieden voor nieuwe menselijke oplossingen. Het idee om mariene enzymen te gebruiken voor de verwerking van plastic heeft al geleid tot experimenten in verschillende laboratoria over de hele wereld, maar het M5-motief biedt nu een nauwkeurige moleculaire referentie voor welke kenmerken moeten worden behouden of gewijzigd om echte resultaten te verkrijgen.
In de studie constateerden de onderzoekers dat alleen enzymen met dit motief meetbare niveaus van PET-afbraak bereikten. Varianten zonder M5, hoewel qua uiterlijk vergelijkbaar, vertoonden geen detecteerbare activiteit. Dit toont aan dat het motief niet alleen een evolutionaire marker is, maar ook een structurele vereiste voor de katalytische functie.
De experimentele bevestiging kwam door middel van in-vitrotests en kunstmatige mariene microkosmossen, waar werd waargenomen hoe bacteriën die het M5-motief dragen, PET-folies fragmenteren in eenvoudigere verbindingen. Dit proces, hoewel traag in vergelijking met industriële technieken, bevestigde de hypothese dat M5 enzymen een reëel functioneel voordeel biedt.
De aanwezigheid van deze bacteriën in bijna 80 % van de oceaanmonsters wijst erop dat het vermogen om plastic af te breken geen geïsoleerd fenomeen is, maar een globale evolutionaire reactie. Elk plasticdeeltje dat in zee terechtkomt, verstoort niet alleen ecosystemen, maar oefent ook druk uit op microbiële gemeenschappen, die evolueren om te overleven in deze veranderde omgeving.
Voor de auteurs is de boodschap tweeledig. Enerzijds toont het aan dat de natuur een opmerkelijk aanpassingsvermogen heeft, anderzijds benadrukt het de grenzen van die veerkracht. De evolutie van plastic afbrekende enzymen betekent niet dat het probleem is opgelost, maar dat de biosfeer probeert een evenwicht te vinden voor een kunstmatige belasting die door menselijke activiteit wordt opgelegd.
De hoop ligt in het vertalen van deze kennis naar de technologische praktijk. Het M5-motief zou een belangrijk hulpmiddel kunnen worden voor het ontwerpen van efficiëntere synthetische enzymen, die in staat zijn om plastic op industriële schaal af te breken. In tegenstelling tot de versies die door evolutionaire toeval zijn ontstaan, zouden deze varianten op een gecontroleerde manier kunnen worden geproduceerd en toegepast in recyclingfabrieken, waardoor wordt voorkomen dat het afval in zee terechtkomt.
De ontdekking roept ook diepgaande vragen op over de interactie tussen biologie en vervuiling. Als microben zich aanpassen aan plastic, begint de grens tussen natuurlijk en kunstmatig te vervagen. Het leven bewijst eens te meer zijn vermogen om zelfs het meest hardnekkige afval om te zetten in nieuwe metabolische kansen.
Terwijl de wereld op zoek is naar dringende oplossingen voor het plasticprobleem, lijkt de oceaan zijn eigen evolutionaire experiment te zijn begonnen.
In dat onzichtbare laboratorium werken bacteriën met het M5-motief stilletjes door en zetten ze de overblijfselen van de moderne beschaving om in chemische fragmenten die op een dag de levenscyclus kunnen voeden. Misschien ontstaat daar, in de diepten van de zee, de biologische sleutel die een nieuw tijdperk van duurzame recycling zal inspireren.
