iGEM – DTU 2025

NomNomNylon: Transformation af tekstilaffald gennem syntesebiologi

Dette indlæg er lavet af DTU BioBuilders 2025, en gruppe bestående af 24 studerende fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU). I år handler vores projekt om at tackle en af tidens mest presserende miljømæssige udfordringer: syntetisk tekstilaffald med fokus på nylon. Projektet er lavet i anledning af den syntetiske biologikonkurrence iGEM.

Nylon er en stærk, fleksibel og alsidig syntetisk fiber, der bruges i tøj, tæpper og fiskenet. Dog er nylon også et svært materiale at nedbryde, hvilket har ledt til, at meget nylon i tekstilaffald ophobes på lossepladser og i verdenshavene. Ved at anvende syntetisk biologi sigter vi mod at skabe en effektiv løsning på dette problem.

Vi har genmodificeret en bakterie til at blive i stand til at nedbryde nylon og efterfølgende omdanne kulstoffet og nitrogenet fra den nedbrudte nylon til værdifulde produkter. Som vores værdifulde produkt har vi valgt at arbejde med det naturlige blå pigment indigoidine, som kan anvendes til at farve tekstiler.

Vores projekt NomNomNylon kombinerer laboratoriearbejde (wetlab), computerbaseret design (drylab) og samarbejde med interesseorganisationer (human practices) for at designe genanvendelige og skalerbare biologiske løsninger, som kan tackle dette globale problem.

Hvad er iGEM?

iGEM er en global konkurrence inden for syntetisk biologi, hvor studerende fra gymnasier, universiteter og forskningsinstitutioner fra hele verden designer og bygger genetisk modificerede biologiske systemer for at løse nogle af verdens problemer. Massachusetts Institute of Technology (MIT) grundlagde iGEM i 2003, og det er siden vokset til en international konkurrence, der samler tusindvis af universitets- og gymnasieelever hvert år.

Holdene arbejder gennem Design-Build-Test-Learn (DBTL)-cyklussen og bruger biologi som et ingeniørværktøj. iGEM lægger stor vægt på samspillet mellem laboratoriearbejdet (wetlab), det computerbaserede/bioinformatiske arbejde (drylab) og human practices, som indebærer interview med relevante forskere, politikere og firmaer.

Nylon – et ophobende problem

Fast fashion og overforbrug har gjort tekstilaffald til en voksende miljøbelastning. Nylon er den næstmest anvendte syntetiske fiber i tekstiler, men har en ekstremt lav genanvendelsesrate på kun 2 % (Textile Exchange, 2024). Figur 1 illustrerer ubalancen mellem produktion og genanvendelse.

Figur 1. Global nylonproduktion og genanvendelsesrater (2019–2023). Data tilpasset fra Textile Exchange (2024). Figuren fremhæver den store kløft mellem nylonproduktion og genanvendelse, hvilket understreger behovet for en nye tiltag.

Da nylon er svært at nedbryde, ender det ofte på lossepladser eller i havet, hvor det frigiver mikroplast, der spredes gennem økosystemer og endda kommer ind i menneskekroppen.

Nylon er svært at nedbryde grundet dets kemiske struktur og tilstedeværelsen af farvestoffer. Derudover bliver nylon stort set altid kombineret med andre slags fibre for at gøre tøjet mere fleksibelt. Det gør, at nylon også er vanskelig at isolere fra tekstilaffald. Enzymbehandling kan potentielt være en god løsning på det problem, men der har været væsentlig mindre forskning i enzymatisk nedbrydning af nylon sammenlignet med f.eks. polyester. Det medfører derfor, at der endnu ikke er nogen effektive metoder inden for nylonenzymbehandling.

På nuværende tidspunkt afbrændes tekstilaffald i Danmark, men denne proces genererer giftige biprodukter. Ved afbrænding bliver materialerne til energi. I stedet kunne materialerne blive genanvendt eller brugt i upcycling, hvor nye produkter bliver fremstillet.

Kemisk opbygning af nylon

Nylon er en termoplast, der dannes ved kemisk at forbinde mange korte monomerenheder til lange polymerkæder. Det klassificeres som et polyamid, hvor ”poly” angiver, at materialet består af mange gentagende enheder, og ”-amid” henviser til den kemiske bindingstype, der forbinder enhederne (Figur 2). Nylon betragtes som et syntetisk materiale, da det fremstilles gennem kemiske reaktioner, som ikke forekommer naturligt. Da nylon ikke findes i naturen, har evolutionen ikke haft mulighed for at udvikle enzymer, der effektivt kan nedbryde disse syntetiske polymerer.

Nylon-6 er den mest anvendte nylontype i tekstiler og fremstilles ved ringåbning og efterfølgende polymerisering af caprolactam, hvor den åbne struktur svarer til 6-aminohexansyre (Figur 3). Monomererne kobles herefter sammen via amidbindinger og danner lange polymerkæder. Enzymatisk nedbrydning af nylon-6 er mest effektiv ved temperaturer over ca. 52 °C, hvor polymeren bliver mere fleksibel og får en mere åben struktur. Den øgede bevægelighed gør materialet mere tilgængeligt for enzymer, men en væsentlig udfordring er, at enzymerne samtidig kan miste deres aktivitet ved disse temperaturer på grund af denaturering.

Drylab: Computerbaserede måder at finde bedre nylon-nedbrydende enzymer

Vores drylab-hold fokuserer på at forbedre det nylon-nedbrydende enzym NylC ved hjælp af computerbaserede værktøjer. Ved at simulere, hvordan mutationer påvirker enzymets struktur og stabilitet, kan vi forudsige, hvilke varianter der sandsynligvis vil præstere bedre, før de testes i laboratoriet. Denne tilgang sparer tid og materialer og muliggør et computer- og datadrevet design af forbedrede enzymer. Efterfølgende valideres og karakteriseres enzymerne i laboratoriet af wetlab-holdet.

Det generelle forløb for at forudsige mutationer i NylC, der kan øge termostabilitet og aktivitet, kan opsummeres i tre trin (Figur 4):

1. Identifikation:
   Relevante mutationspositioner identificeres ved hjælp af software (Potts), mens katalytisk essentielle aminosyrer undgås for ikke at ændre enzymets funktion. Fokus rettes ofte mod fleksible regioner, da reduceret fleksibilitet kan øge termostabiliteten.
2. Mutation:
   Når målpositionerne er fastlagt, anvendes modeller som ThermoMPNN og den egenudviklede AI-model Axolotl til at forudsige optimale aminosyreændringer. Axolotl er trænet på proteiner fra termostabile organismer og kan foreslå sekvensændringer, der øger vores enzyms varmetolerance.
3. Kvalitetskontrol:
   De foreslåede mutationer evalueres ved 21-state Potts model, ESM-1v og molekylær docking for at sikre, at enzymet fortsat kan binde sit substrat korrekt. Denne metode simulerer ligandbinding og estimerer bindingsaffinitet for at vurdere mutationens effekt.

Wetlab: Genmodificering af bakterien Pseudomanas putida til upcycling af nylon

Valget af værtsorganisme er centralt i syntetisk biologi. I dette projekt blev Pseudomonas putida valgt på grund af dens store genom og stærke metaboliske kapacitet samt dens naturlige evne til at vokse på polyaminer, som er nedbrydningsprodukter fra nylon. Vi anvendte en genmodificeret variant, der allerede udtrykte NylC (de Witt et al., 2025). Da NylC har begrænset effektivitet, blev forbedrede enzymvarianter fra drylab indsat i både P. putida og Escherichia coli. E. coli blev anvendt til oprensning, da denne organisme muliggør lettere isolering og mere præcis karakterisering af enzymerne, mens P. putida fungerer som den endelige produktions- og nedbrydningsorganisme i selve nylonnedbrydningssystemet.

Efter oprensning testes enzymaktiviteten ved et ninhydrin-assay, som påviser frie amingrupper frigivet under polymernedbrydning. Metoden anvendes almindeligvis til kvantificering af aminosyrer, da ninhydrin reagerer med frie amider (Stauß et al., 2024). Når nylon spaltes, dannes frie amider i polymerkædens ender (de Witt et al., 2025), og enzymaktiviteten kan derfor måles indirekte ved at kvantificere antallet af frie amider (Figur 5).

Upcycling af nylon

Som nævnt tidligere, var formålet med projektet ikke blot at nedbryde nylon, men også at upcycle det. Dvs. at omdanne nedbrydningsprodukterne fra nylon til noget brugbart, her farvestof.  

Vi genmodificerede P. putida til at producere carotenoider (gult farvestof) fra nedbrudt nylon ved at indsætte gener for carotenoidsyntese. Stammen kunne udnytte både nylonmonomerer og længere nedbrydningsprodukter, hvilket demonstrerede, at nylon kan omdannes til et værdifuldt produkt i P. putida (Også tidligere vist af (Sánchez-Pascuala et al., 2019)). Se kolbe med gult farvestof i Figur 6.  

Efterfølgende ønskede vi at fokusere på et high-value produkt med direkte relevans for tekstilindustrien og undersøgte derfor produktion af indigoidine (Figur 6). Indigoidine er et naturligt blåt pigment, der kan anvendes som et bæredygtigt tekstilfarvestof. Den blå farve blev også påvist at kunne laves i vores P. putida stamme.

Afrunding

I dette projekt har vi undersøgt, hvordan man gennem en kombination af computerbaseret enzymoptimering og eksperimentelt laboratoriearbejde har kunnet forbedre nedbrydningen af nylon. Derudover har vi ved hjælp af biologisk omsætning været i stand til at transformere nylonnedbrydningsprodukterne til brugbare pigmenter.

NomNomNylon har dermed vist, hvordan biologiske systemer kan anvendes til at omdanne tekstilaffald til værdifulde ressourcer i tekstilindustrien.

Vil du vide mere om DTU Biobuilders 2025’s projekt?

Hvis du vil læse mere om DTU Biobuilders 2025’s projekt, inklusivt alle de tekniske detaljer i vores projekt, kan du tjekke iGEM Wiki-siden for DTU Biobuilders 2025-holdet:

https://2025.igem.wiki/dtu-denmark/

Referencer

de Witt, J., Luthe, T., Wiechert, J., Jensen, K., Polen, T., Wirtz, A., Thies, S., Frunzke, J., Wynands, B., & Wierckx, N. (2025). Upcycling of polyamides through chemical hydrolysis and engineered Pseudomonas putida. Nature Microbiology, 10(3), 667–680. https://doi.org/10.1038/s41564-025-01929-5

Jonsson, A. L., Roberts, M. A. J., Kiappes, J. L., & Scott, K. A. (2017). Essential chemistry for biochemists. Essays in Biochemistry, 61(4), 401–427. https://doi.org/10.1042/EBC20160094

Sánchez-Pascuala, A., Fernández-Cabezón, L., de Lorenzo, V., & Nikel, P. I. (2019). Functional implementation of a linear glycolysis for sugar catabolism in Pseudomonas putida. Metabolic Engineering, 54, 200–211. https://doi.org/10.1016/j.ymben.2019.04.005  

Stauß, A. C., Fuchs, C., Jansen, P., Repert, S., Alcock, K., Ludewig, S., & Rozhon, W. (2024). The Ninhydrin Reaction Revisited: Optimisation and Application for Quantification of Free Amino Acids. Molecules, 29(14), 3262. https://doi.org/10.3390/molecules29143262  

Textile Exchange. (2024). Materials Market Report. https://textileexchange.org/materials-dashboard/

Zhang, K., Hamidian, A. H., Tubić, A., Zhang, Y., Fang, J. K. H., Wu, C., & Lam, P. K. S. (2021). Understanding plastic degradation and microplastic formation in the environment: A review. Environmental Pollution, 274, 116554. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.116554