Investigating Laccase-Initiated Enzymatic Cascades for Polyolefin Degradation

Abstract

Polyolefins make up the majority of all plastics produced and can be found in a range of
applications. Simultaneously, 60% of all plastics are not being recycled, and consequently are
accumulating in the environment where it poses serious threats to both the environment,
human health, and economies. Current attempts to address the problem have had limited
success. An emerging solution is biodegradation - a method that utilizes microorganisms or
enzymes for the depolymerization of plastics. In this study, inspired by Oiffer et al.,
laccase-initiated enzyme cascades were investigated for the degradation of polyethylene and
polystyrene (1). More specifically, the laccases PsLAC (Psychrobacter sp. NJ228) and
LacA(Bacillus amyloliquefaciens LC02) were investigated as the initial enzyme of the
cascade, followed by an alcohol dehydrogenase (LkAdh), a Baeyer Villiger monooxygenase
(CHMO), and a commercial cutinase (Hi-cut). All the enzymes, except the commercial
cutinase, were expressed recombinantly in E.coli BL21 (DE3). As a pre-treatment, ozonation
was tested. HPLC and GC were used to detect any biodegradation. In addition, all
recombinant enzymes were characterized using catalytic assays and Differential Scanning
Flourimetry. Based on the results, all the enzymes were expressed and purified successfully
where PsLAC, LacA, and CHMO showed clear catalytic activities. In contrast, RpKatG and
LkADH showed no catalytic activities. Based on FTIR, the pre-treatment using ozonation
showed some modifications of polystyrene whereas no chemical modifications were detected
on polyethylene. Finally, the laccase-initiated enzyme cascade showed no sign of polyolefin
degradation. Due to delays in the measurement of enzyme activity, it is difficult to determine
if all enzymes were active during the enzymatic treatment. Thus, more research is needed in
order to draw any conclusions whether it was the lack of activity that prevented any
degradation or if the enzyme cascade itself was insufficient for polyolefin degradation.

Popular Abstract (Swedish)

Kan proteiner visa vägen till bättre plaståtervinning och en renare värld?

Vissa typer av proteiner(enzymer) har under de senaste åren visat prov på nedbrytning av plast och kan därför bli en ny och hållbar metod för plaståtervinning. Mest framgångsrikt är en typ av enzymer som kallas cutinas som kan effektivt bryta ner PET, som bland annat finns i PET-flaskor. Nu visar forskning på att användning av flera olika enzymer samtidigt kan vara lösningen på världens plastproblem.
I detta examensarbete har kombinationer av olika enzymer utforskats för nedbrytning av plast - ett tillvägagångssätt som i slutändan har förmågan att bli en ny och hållbar återvinningsmetod. Mer specifikt så har nedbrytning av plastgruppen polyolefiner undersökts. Resultatet visade att enzymerna inte hade någon förmåga att bryta ner plasten, trots positiva resultat från liknande studier. Baserat på enzymernas karaktär så kan en förklaring vara att de inte var tillräckligt reaktiva. En annan förklaring är att plasten inte förbehandlas ordentligt, vilket är nödvändigt för att enzymerna ska kunna reagera med den väldigt stabila strukturen hos plasten.
I samband med studien så undersöktes förbehandling av plast med ozongas, som bland annat används för nedbrytning av läkemedel i vattenavfall. Resultatet visade att vissa typer av polyolefiner kemiskt kan modifieras med hjälp av ozongas, vilket visar på att det kan vara en möjlig metod för att förbättra nedbrytning av plast med enzymer.
Resultatet understryker hur svårt det är att bryta ner plast, särskilt typen av polyolefiner som är extra stabila. Som de flesta redan vet så slängs mängder av plast ut i naturen. På grund av plastens stabila struktur så tar det väldigt lång tid att brytas ner - till exempel så tar det 450 år för en PET-flaska att försvinna. Detta gör att mer och mer plast ansamlas vilket i slutändan påverkar både människor och djur.
En lösning är att öka mängden plaståtervinning för att minska mängden plast som hamnar i naturen. Dagens återvinningsmetoder är däremot begränsade av flera anledningar, bland annat av komplikationer vid återvinning av blandad plast och stora energibehov. Nedbrytning med hjälp av enzymer skulle däremot kunna vara ett hållbart alternativ tack vare sina naturliga råvaror(proteiner) och låga energibehov. I praktiken kan enzymerna i slutändan användas för att bryta ner plasten för att sedan använda dess beståndsdelar för nyproduktion.
Förhoppning är att en kombination av olika enzymer tillsammans med ozongas kan användas som en alternativ och hållbar metod för återvinning av plast, vilket kan visa sig vara ett stort steg mot en mer hållbar och renare värld.

• author: Howding, Fabian Carl Henrik
• supervisor: Javier Linares-Pastén
• organization: Biotechnology; Biotechnology (MSc); Biotechnology (M.Sc.Eng.)
• course: KBTM05 20251
• year: 2025
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Recombinant Protein Expression, Plastic biodegradation, Enzymatic Plastic Biodegradation, Enzyme Cascade, Plastic Recycling, Polyolefins, Polyethylene, Polystyrene, Biotechnology
• language: English
• id: 9212668
• date added to LUP: 2025-09-19 07:56:16
• date last changed: 2025-09-19 07:56:16