Het enzym kan de hardnekkige, door de mens gemaakte verbindingen tussen silicium en koolstof verbreken die voorkomen in veelgebruikte chemicaliën die bekend staan als ‘siloxanen’ en ‘siliconen’.
Hoe makkelijk de mens nieuwe stoffen lijkt te maken, zo lastig zijn ze soms om op te ruimen. Zoals de veelgebruikte chemicaliën ‘siloxanen’ of ‘siliconen’. Siloxaan-chemicaliën zijn te vinden in talloze producten, waaronder in huishoudelijke reiniging, persoonlijke verzorging, en de auto-, bouw-, elektronica- en luchtvaartindustrie. Deze chemicaliën kunnen dagen tot maanden in het milieu blijven en zijn niet biologisch afbreekbaar. De chemicaliën breken wel in kleinere stukken, vooral in bodem- of watermilieus, maar de fragmenten worden regelmatig vluchtig en ontsnappen in de lucht.
Dat het zo lastig af te breken is, komt door de unieke eigenschappen die de polymeren hebben, vertelt onderzoeker Dimitris Katsoulis. “Zoals een hoge thermische en oxidatieve stabiliteit, een lage oppervlaktespanning en een hoge ruggengraatflexibiliteit.” Dat komt door de chemische ruggengraat van de verbindingen. Die bestaat uit bindingen tussen silicium en zuurstof, terwijl koolstofhoudende groepen, vaak methyl, aan de siliciumatomen zijn gehecht. “De silicium-zuurstof ruggengraat geeft het polymeer een anorganisch-achtig karakter, terwijl de silicium-methyl groepen het polymeer organisch-achtige eigenschappen geven”, vertelt Katsoulis namens het California Institute of Technology en Dow Inc. Onderzoekers van deze instituten hebben nu een enzym ontworpen dat deze hardnekkige bindingen kan verbreken.
Gerichte evolutie
Het enzym is gemaakt met behulp van een methode die ‘gerichte evolutie’ wordt genoemd. In deze methode maken onderzoekers gebruik van de principes van kunstmatige selectie om – in dit geval- eiwitten te veranderen en te verbeteren. Daarvoor begonnen de onderzoekers met een bestaand enzym dat in staat is om bindingen tussen koolstof en zwavel te breken. Vervolgens veranderden ze deze eigenschap geleidelijk door op eigenschappen bij willekeurige mutaties te selecteren.
Na vele generaties van evolutie in het laboratorium slaagde het team erin om een enzym te hebben dat de bindingen tussen silicium en koolstof kan breken. “We besloten de natuur te laten doen wat alleen scheikundigen kunnen doen”, vertelt professor Frances Arnold, een van de auteurs van de studie en winnaar van de Nobelprijs voor de Scheikunde in 2018 voor haar eerdere werk in gerichte evolutie, “alleen dan beter.”
Verder evolueren
Het enzym is nog verre van perfect en heeft nog vele jaren aan onderzoek en verbetering nodig voordat het praktisch gebruikt kan worden, benadrukken de onderzoekers. Toch zijn ze hoopvol over de mogelijke toepassingen. “Tot nu toe werd altijd gedacht dat deze chemicaliën niet door levende mechanismen zouden kunnen worden afgebroken”, vertelt Arnold. “Dat we nu voor het eerst dit soort enzymen hebben ontwikkeld is dus een belangrijke eerste stap.”
Om het enzym te optimaliseren denkt het team eraan om natuurlijke organismen verder te laten evolueren in siloxaan-rijke omgevingen om een soortgelijke reactie te katalyseren. “Ook kunnen we verbeterde versies van laboratorium-geëvolueerde enzymen zoals deze gebruiken om siloxaan-verontreinigingen in afvalwater te behandelen”, aldus Arnold. “De natuur is een geweldige scheikundige”, concludeert de wetenschapper, “en haar repertoire omvat nu ook het verbreken van bindingen in siloxanen.”
