Plastic afval… één van de grootste milieuproblemen van de 21e eeuw. Tegen 2050 zal er wereldwijd naar schatting tot 12.000 Mt plastic afval op stortplaatsen of in de natuur aanwezig zijn. Wist je dat momenteel slechts 30% van het plastic afval wordt gerecycled? Daarbij komt dat de gangbare recyclingprocessen veel energie verbruiken en een hoge CO2 uitstoot hebben. Biochemische recycling biedt hiervoor een duurzamere uitweg, maar is vaak nog geen betaalbare en uitvoerbare optie voor bedrijven. Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door de hìgh tech toetredingsdrempel van op fermentatie gebaseerde enzymproductiesystemen. Centre of Expertise Biobased Economy (CoE BBE) en Ginko Bioworks werken samen aan een belangrijke stap om het toch mogelijk te maken.
Op de foto links: Laura Smolders, rechts: Rubiëla Rosalia
Terug naar monomeren
Hoe ziet in dit geval het biochemisch proces er dan uit? Plastics bestaan altijd uit grote moleculen, die polymeren genoemd worden. Polymeren bestaan op hun beurt uit een heleboel identieke deeltjes die als een soort ketting aaneengeregen zijn. Deze afzonderlijke deeltjes noemen we monomeren. In het biochemisch recycling proces van plastic afval worden polymeren door enzymen afgebroken tot herbruikbare monomeren, waar weer nieuwe producten van kunnen worden geproduceerd. Recent onderzoek heeft al aangetoond dat microbiële enzymen voor de afbraak van PET en PU kunnen zorgen. Deze plastic afbrekende enzymen kunnen worden geproduceerd via schimmelsoorten door middel van fermentatie. Om precies te kunnen weten hoe het fermentatieproces vordert en wanneer de juiste samenstelling bereikt is komt een moleculaire monitoringsmethode om de hoek kijken. RNA sequencing in dit geval.
Monitoren
RNA-sequencing kan een momentopname maken van het enzymproductieproces in de cel. En zodra je deze informatie hebt kan het proces van enzymproductie gemonitord worden. Het helpt ook om de hoeveelheid herbruikbare monomeren te voorspellen. Het nadeel is dat conventionele RNA-sequencing-platforms duur zijn in aanschaf (2 miljoen euro), voor de meeste bedrijven niet haalbaar. Daarbovenop komt dat elke analyseronde een doorlooptijd van 6 weken in beslag kan nemen en de datasets uitgebreid zijn, waardoor alleen experts ermee kunnen werken. Daarom hebben Ginkgo Bioworks en CoE BBE een betaalbaar, draagbaar en semi-realtime moleculair monitoringsysteem ontwikkeld om het procesontwerp van het fermentatieproces van plastic afbrekende enzymen te optimaliseren.
Nieuwe methode
Wat is er zo bijzonder aan deze nieuwe methode? MiaoMiao Zhou, Onderzoeker Lectoraat Biobased Building Blocks & Products, CoE BBE:
“De grote meerwaarde is dat de door ons geselecteerde methode slechts een investering nodig heeft van 5.000 euro in plaats van 2 miljoen. Een van onze nieuwe designs biedt zelfs de mogelijkheid om 4 verschillende tests tegelijk plaats te laten vinden. Dit scheelt enorm in de kosten en tijd. Resultaten kunnen nu binnen 20 uur al afgelezen worden, dat is wel wat anders als 6 weken. Dit helpt enzym producerende bedrijven om hun werk te verbeteren. Daarbij zou biochemische recycling op basis van enzymen veel toegankelijker kunnen zijn voor bedrijven en intensief kunnen worden gebruikt.”
Ginkgo Bioworks heeft voor het onderzoek niet alleen samples geleverd, maar ook expertise ingebracht. Als ontwikkelaar van platform technologieën, voor de ontwikkeling van industriële micro-organismen en productieprocessen voor biotechnologische toepassingen, zijn de resultaten van dit project zeer belangrijk. Peter Punt, Ginkgo Bioworks:
“We hebben prettig samengewerkt met de onderzoekers van CoE BBE en we zijn tevreden over de resultaten. De resultaten bieden inzicht in nieuwe high-throughput technologieën om complexe processen in schimmels te ontrafelen. Op de lange termijn leidt het niet alleen tot mildere recyclingmethoden, maar ook tot een beter begrip van hoe een biologisch afbreekbaar materiaal moet worden ontworpen.”
Samen met onderwijs
Vijf stagiaires hebben onder de gezamenlijke supervisie van CoE BBE en Ginkgo Bioworks-experts uitstekend werk geleverd bij het ontwerpen, uitvoeren en optimaliseren van experimenten. Het bijwonen van zo’n praktijkgericht onderzoeksproject heeft deze toekomstige bio-ingenieurs gemotiveerd om dit werk door te zetten. Zo ook Laura.
Laura Smolders, afgestudeerd student Avans Biomedisch Laboratorium onderzoek:
“Het was erg leuk om mee te werken in dit project. Ik heb ontzettend veel geleerd en het voelt goed dat ik heb kunnen bijdragen aan de behaalde resultaten. Ik wil me de komende tijd verder gaan ontwikkelen als bio-ingenieur en daarvoor volg in momenteel een masteropleiding bij de Radboud universiteit.”
Door gastcolleges en het delen van experimentele protocollen hebben de onderwerpen plastic biodegradation, RNA-seq gebaseerde moleculaire monitoring, schimmelbiologie en productiestamverbeteringen een mooie plek gekregen binnen het onderwijs.
Concluderend; biochemische recycling door microbiële enzymen is één van de duurzaamste oplossingen om het wereldwijde probleem van plastic afval te verminderen. Met de onderzoeksresultaten van dit project is deze manier recycling van enzymproductie een haalbare optie geworden voor bedrijven. Nieuwe projecten rondom dit thema zijn al geïnitieerd, stay tuned!
Dit onderzoek werd uitgevoerd binnen een KIEM GoChem project van Regieorgaan SIA.