Dokument: Blue biotechnology to fight the plastic problem: Exploring microbes and enzymes for biodegradation
| Titel: | Blue biotechnology to fight the plastic problem: Exploring microbes and enzymes for biodegradation | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=67305 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20241105-103829-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Molitor, Rebecka [Autor] | |||||||
| Dateien: |
| |||||||
| Beitragende: | Prof. Dr. Jaeger, Karl-Erich [Gutachter] Prof. Dr. Pietruszka, Jörg [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Since the beginning of the 20th century, plastic production has steadily increased. Over the years, millions of metric tons have been manufactured, and a significant portion has ended up in the environment due to inadequate waste management. Various waste management methods have been attempted over the years. However, a substantial amount of plastic still finds its way into nature. Innovative strategies for treating plastic waste, such as PET bottles, need to be found, that can be integrated into waste disposal and recycling systems. Since 2016, numerous enzymes have been discovered that are capable of degrading PET including LCC cutinase, ISPETase and Halopseudomonas aestusnigri PE-H. These enzymes have been proposed to be a viable option to help reduce the burden of plastic waste in our world.
This work aimed to expand knowledge on polyester-active enzymes by characterizing new enzymes with particular emphasis on marine source organisms and conducting mutagenesis to better understand the mechanisms of enzymatic polyester degradation. During a research cruise with the BMBF research vessel “Sonne”, deep sea sediment samples were collected from the plastic accumulation zone of the North Atlantic Gyre to analyze the present microbial communities and search for novel polyester-degrading microorganisms. Enrichment cultivation and functional screening with polyesters led to the discovery of several polyester hydrolases of two distinct types. Complementary, a set of the seven Haes_PE-H homologous Halopseudomonas polyester degrading enzymes were retrieved from sequence databases for recombinant expression, purification, and comparative characterization with different polyester substrates. Despite the high similarity of the enzymes, pronounced differences in expression yields, substrate preference, melting temperature (up to ca. 10°C) and ion dependency were found, of which the latter could be explained by features of the Hsab_PE-H crystal structure solved here. The best new enzymes, Hfor_PE-H and Hoce_PE-H, were chosen for mutagenesis studies with particular emphasis on the apparently crucial position next to the catalytic histidine residue. For both, improved variants able to effectively degrade polyester at ambient temperatures were obtained; saturation mutagenesis of this position in Hoce_PE-H together with biochemical characterization and in silico rigidity analysis yielded hints that not (only) the residue size is crucial but a lack of charge. In conclusion, the presented thesis contributes to deepening the understanding of the distribution and molecular characteristics of polyester-degrading hydrolases, which may support their biotechnological application.Seit Beginn des 20. Jahrhunderts hat die Produktion von Plastik stetig zugenommen. Über die Jahre hinweg wurden Millionen metrische Tonnen hergestellt und aufgrund einer unzureichenden Abfallbewirtschaftung gelangte ein erheblicher Teil davon in die Umwelt. Verschiedene Methoden zur Abfallbewirtschaftung wurden im Laufe der Jahre erprobt, aber dennoch gelangt immer noch viel Plastik in die Natur. Daher sind innovative Methoden zur Behandlung von Plastikabfällen wie Polyethylenterephthalat-Flaschen nötig, die in Abfallentsorgung und -recycling integriert werden. Seit 2016 wurden zahlreiche Enzyme entdeckt, die PET abbauen können und die dazu beitragen könnten, die Belastung durch Plastikabfälle in unserer Welt zu verringern, z.B. die Cutinase LCC, ISPETase oder die PE-H von Halopseudomonas aestusnigri (Haes_PE-H). Ziel dieser Arbeit war, das Wissen um Polyester aktive Enzyme durch Finden neuer Enzyme, Charakterisierung und Mutagenese zu erweitern und die Mechanismen des enzymatischen Plastikabbaus besser zu verstehen. Während einer Expedition auf dem BMBF-Forschungsschiff „Sonne“ wurde Tiefseesediment aus der Plastikakkumulationszone des Nordatlantischen Strudels gesammelt und die mikrobielle Gemeinschaft nach neuen Polyester-abbauenden Mikroorganismen gescreent. Anreicherungskulturen und funktionale Screenings mit Polyestern führten zu der Entdeckung mehrerer Polyesterhydrolasen verschiedenen Typs. Ein Set aus sieben zu Haes_PE-H homologen Halopseudomonas Polyester abbauenden Enzymen wurde aus Sequenz Daten ermittelt, rekombinant in E. coli produziert, gereinigt und vergleichend charakterisiert mittels verschiedener Polyester Substrate. Trotz der hohen Sequenzhomologie der Enzyme konnten Unterschiede in der Expression, Substratpräferenz, Schmelztemperatur (von bis zu 10°C) und Ionen-Abhängigkeit festgestellt werden, die später noch durch das Lösen der Kristallstruktur von Hsab_PE-H analysiert wurden. Die besten neuen Enzyme, Hfor_PE-H und Hoce_PE-H wurden für Mutagenesestudien mit besonderem Augenmerk auf einer besonders wichtigen Position neben dem katalytisch aktiven Histidin ausgesucht. Für beide Enzyme was es möglich, verbesserte Varianten, mit einer effektiveren Degradation von Polyestern bei Umgebungstemperatur zu ermitteln. Eine Sättigungsmutagenese an dieser Stelle führte bei Hoce_PE-H zusammen mit der biochemischen Charakterisierung und in silico Rigiditäts-Analyse zu der Annahme, dass nicht nur die Größe der Aminosäure wichtig ist, sondern auch ihre Ladung. Zusammenfassend trägt die vorgelegte Dissertation zur Vertiefung des Verständnisses der Verbreitung und molekularen Eigenschaften von polyesterabbauenden Hydrolasen bei, was zur biotechnologischen Anwendung solcher Enzyme beitragen kann. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Enzymtechnologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 05.11.2024 | |||||||
| Dateien geändert am: | 05.11.2024 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 24.01.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 09.09.2024 |
