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Bury a film of bioplastic in a forest floor, and within 250 to 330 days it is gone. That is what the team at the University of Konstanz recorded when it buried polyester films about 10 centimeters deep in the humus of the university's botanical garden. The same soil, tested over the same year, left conventional HDPE almost untouched, with virtually no degradation.
Enfouissez un film de bioplastique dans le sol d'une forêt : en 250 à 330 jours, il a disparu. C'est ce qu'a constaté l'équipe de l'université de Constance en enterrant des films de polyester à environ 10 centimètres de profondeur dans l'humus du jardin botanique de l'université. Dans le même sol, suivi sur la même année, le HDPE conventionnel est resté presque intact, quasiment sans dégradation.
The key actor is an enzyme that sits on the outside of a bacterial cell. Its active site, the pocket where a chemical reaction happens, is unusually wide open, which is why microbiologists Harry Lerner and David Schleheck nicknamed it the 'Pac-Man enzyme'. Because it is anchored to the cell surface, the plastic building blocks it produces form right beside the bacterium, which can absorb them before they drift away or are claimed by neighbors. Under the electron microscope, the buried film showed micrometer-sized holes, each matching the size of a single bacterial cell. The researchers hypothesize that bacteria digest their way into the plastic this way, which challenges the common assumption that microbes simply release such enzymes into their surroundings.
L'acteur principal est une enzyme située à la surface externe d'une cellule bactérienne. Son site actif, la poche où se produit la réaction chimique, est anormalement ouvert, ce qui a valu à l'enzyme son surnom de « Pac-Man » donné par les microbiologistes Harry Lerner et David Schleheck. Ancrée à la surface de la cellule, l'enzyme produit des briques de plastique qui se forment juste à côté de la bactérie, laquelle peut les absorber avant qu'elles ne s'éloignent ou ne soient captées par ses voisines. Au microscope électronique, le film enterré présentait des trous de taille micrométrique, chacun de la taille d'une seule cellule bactérienne. Les chercheurs font l'hypothèse que les bactéries se frayent ainsi un chemin dans le plastique, ce qui remet en cause l'idée répandue selon laquelle les microbes se contentent de libérer ces enzymes dans leur environnement.
Searching the soil DNA, the team found a gene that appeared only in soil containing the polyester film. It codes for an esterase, an enzyme that cuts ester bonds, and its structure resembles beta-lactamases, the enzymes that disarm antibiotics such as penicillin by cleaving their beta-lactam ring. In the lab, the enzyme broke polyesters into their monomers and also cleaved penicillin, both through hydrolysis, a reaction with water. Schleheck said the surface position serves both jobs, since antibiotics are disarmed before they can enter the cell.
En analysant l'ADN du sol, l'équipe a trouvé un gène présent uniquement dans le sol contenant le film de polyester. Il code une estérase, une enzyme qui coupe les liaisons esters, et sa structure ressemble à celle des bêta-lactamases, les enzymes qui neutralisent des antibiotiques comme la pénicilline en coupant leur cycle bêta-lactame. En laboratoire, l'enzyme décompose les polyesters en monomères et coupe aussi la pénicilline, les deux fois par hydrolyse, une réaction avec l'eau. Selon Schleheck, sa position en surface sert les deux fonctions, puisque les antibiotiques sont neutralisés avant de pouvoir pénétrer dans la cellule.
The finding opens a question the team does not fully answer. Lerner said scientists have been puzzled by how common antibiotic-resistance genes are in the plastisphere, and the dual function may explain part of it. Two explanations remain open: that organisms there evolve double-duty enzymes, or that some enzymes now specialize in plastic while their penicillin-cleaving activity is a leftover. The study does not decide between them.
Cette découverte ouvre une question à laquelle l'équipe ne répond pas entièrement. Lerner indique que les scientifiques s'interrogent sur la fréquence des gènes de résistance aux antibiotiques dans la plastisphère, et que cette double fonction pourrait en expliquer une partie. Deux explications restent possibles : soit les organismes de ce milieu font évoluer des enzymes à double usage, soit certaines enzymes se sont spécialisées dans le plastique et leur activité contre la pénicilline n'est qu'un vestige. L'étude ne tranche pas entre les deux.
For anyone designing plastics that escape recycling and end up in the environment, the study points to a concrete rule. Schleheck argues that materials should work with what microbes can do, which means choosing polymers with built-in chemical weak points, such as the ester bonds in this film. The study gives no timeline for when such materials could reach products, and it does not show how the enzyme would behave outside controlled soil and lab conditions. What it does show is that bacteria may adapt to polyester plastics faster than scientists expected.
Pour qui conçoit des plastiques qui échappent au recyclage et finissent dans l'environnement, l'étude donne une règle concrète. Schleheck estime que les matériaux devraient tenir compte de ce que les microbes savent faire, ce qui implique de choisir des polymères dotés de points faibles chimiques intégrés, comme les liaisons esters de ce film. L'étude ne donne aucun calendrier quant à l'arrivée de tels matériaux dans les produits, et elle ne montre pas comment l'enzyme se comporterait en dehors des conditions contrôlées du sol et du laboratoire. Ce qu'elle montre, en revanche, c'est que les bactéries pourraient s'adapter aux plastiques polyesters plus vite que les scientifiques ne l'avaient prévu.