Plastiknedbrydende enzymer og protein engineering
Du får en grundig teoretisk gennemgang af plastiks kemiske opbygning, enzymer og deres virkemåde, de 20 forskellige aminosyrer, samt hvordan enzymer kan bruges til at nedbryde plastik. Du kommer i laboratoriet og laver forsøget, hvorefter du har et datasæt, der kan bruges til at bestemme enzymets virkning og kinetik. Du kommer også til at arbejde med enzymet i PyMol, hvilket bruges til at visualisere, hvordan enzymet fungerer på molekyleniveau, og hvordan det binder PET.
Hvad går øvelsen ud på?
I øvelsen ”Plastiknedbrydende enzymer og protein engineering” skal du lave et forsøg, der undersøger, hvor effektivt et genetisk modificeret enzym nedbryder plastik af typen PET (Polyetylentereftalat). PET er blandt andet den type plast, der benyttes til at lave plastikflasker.
Du kommer til at undersøge, hvilken betydning temperatur har for reaktionen og måle nedbrydning af PET ved hjælp af spektrofotometri. Du kommer til at lave en standardkurve ud fra kendte koncentrationer af plastik monomerer, for at kunne kvantificere absorbansmålingerne. Ud fra resultaterne vil du kunne udregne, hvor meget plastik enzymet kan nedbryde per tidsenhed.
Du vil også komme til at lære om ”protein engineering” ved at arbejde med 3D-strukturen af enzymet i programmet PyMol. Her skal du kigge på og selv komme med forslag til, hvordan man kan optimere enzymet ved fx at ændre på udvalgte aminosyrer, der befinder sig i enzymets bindingskløft. Du vil derfor komme til at arbejde med aminosyrer og lære om, hvad der adskiller dem.
Ved hjælp af PyMol vil du komme til at identificere, hvilke aminosyrer, som er særligt vigtige for enzymets binding til substratet og for reaktionen.
Hvordan foregår øvelsen?
På øvelsesdagen får du en grundig teoretisk gennemgang af, hvordan plastik og særligt PET er opbygget. Ligeledes gennemgår vi, hvordan enzymer virker, hvad aminosyrer er og deres forskel, samt idéen bag at benytte enzymer til at nedbryde plastik. Principperne ved ”protein engineering” vil også blive gennemgået, så det vil blive tydeligt, hvilke værktøjer man har til at forbedre en enzymatisk reaktion.
Inden vi går ind i laboratoriet, gennemgår vi forsøgsopstillingen og de reagenser, der skal bruges i forsøget.
I laboratoriet kommer du til at skulle fortynde reagenser for at kunne opstille en standardkurve med flere forskellige koncentrationer af PET monomerer. Herefter udføres forsøget med enzymet cutinase ved at tilsætte enzymet til en kendt koncentration af PET plastik under omrøring. Samme forsøg vil blive udført ved forskellig temperaturer. Efter tilsætning af enzym vil der på tre forskellige tidspunkter blive udtaget en prøve, hvilket gør det muligt at beskrive enzymatisk nedbrydning af plastik som funktion af tid.
Forsøget opsættes i en microtiter plade i duplikater, hvorefter vi ved brug af et spektrofotometer, måler absorbansen. Absorbansen er et udtryk for, hvor meget PET enzymet nedbryder under de forskellige forhold. Absorbansmålingerne udgør et datasæt, hvorfra det vil være muligt at bestemme reaktionshastigheden for enzymets nedbrydning af PET-plastik.
Du vil lære at benytte programmet PyMol til at kigge på enzymets aktive site og bindingskløft og lave opgaver, der kan hjælpe med at vurdere, hvordan dette kan forbedres mod at nedbryde PET mere effektivt.
Hvilke faciliteter kommer du til at bruge?
Du kommer til at arbejde i Eduforce Laboratoriet. Her får du mulighed for at lære, hvordan man opstiller forsøg i en microtiter plade. Du lærer at pipettere. Du kommer til at bruge et spektrofotometer til at måle absorbans.
Du får en rundvisning på DTU, hvor du kommer til at se kantinen, biblioteket, S-huset, samt en forelæsningssal og et grupperum.
Tilmeldingen til SRP-øvelser åbner
Du kan for eksempel redegøre for enzymers og plastiks opbygning, og hvorfor enzymer kan bruges til at nedbryde plastik. Du kan diskutere dine resultater i en samfundsmæssig eller biologisk sammenhæng for at vurdere om enzymatisk nedbrydelse kan erstatte nuværende metoder til at genanvende/afskaffe plastik.
Du kan for eksempel redegøre for, hvordan protein engineering bruges til at optimere enzymer til at være mere stabile eller have højere reaktivitet overfor et unaturligt substrat såsom plastik. Du kan diskutere betydningen af protein engineering inden for bioteknologi og den grønne omstilling, og referere til firmaer såsom som Novozymes, der benytter protein engineering til at forbedre enzymer til forskellige formål.
Dem, der ønsker at kombinere øvelsen med matematik, kan for eksempel redegøre for sammenhængen mellem protein stabilitet og temperatur. Herunder kan de diskutere ligevægt, termodynamikkens love, Gibbs frie energi, entropi og entalpi for protein foldning og stabilitet ud fra et teoretiske synspunkt.
En anden kobling til matematik kan være at bevise mindste kvadraters metode, der bruges til lineær regression, eller at opstille differentialligningssystemer for reaktionskinetik.
- Velkommen
- Introduktion til øvelsen: teori om plastik og enzymer
- Gennemgang af forsøgsopstillingen
- I laboratoriet og lave eksperimentet: standardkurve og reaktion med enzym og PET-plastik. Efterfølgende udtages i alt tre prøver fra reaktionen ved tre forskellige tidspunkter
- Fælles frokost
- Rundvisning på DTU, samt oplæg om at studere Life Science på DTU
- Teori om protein engineering og PyMol
- Øvelse i PyMol
- Databehandling
- Opsamling og diskussion
- Evaluering og afslutning
- Tak for i dag.
Du får data med hjem i form af et datasæt af absorbans målinger fra den enzymatiske reaktion og deres standardkurve.
Du får også dine billeder i PyMol, der kan bruges til at argumentere for, hvordan et enzym fungerer, og hvilke kemiske ændringer der kan laves i et enzym for at forbedre dets virkning.
Du vil med fordel kunne avende litteratur om enzymer og deres brug til plastiknedbrydelse.
Du modtager en forsøgsvejledning samt et dokument med forslag til artikler, der kan inddrages. Du vil desuden modtage teori udarbejdet af Biotek Academy omkring enzymer og plastiknedbrydning.
Programmet PyMol skal være downloadet før eleverne ankommer til undervisningsdagen. Dette får du også tilsendt en vejledning til.
Relevante gymnasiefag
- Biologi: Enzymer og aminosyrer er et vigtigt emne i biologi. Herudover kan nedbrydning af plastik og forurening være et interessant emne i faget.
- Bioteknologi: Enzymer og protein-engineering er interessante emner i bioteknologi.
- Kemi: Enzymer og reaktionskinetik er vigtige emner i kemi.
Kan kombineres med:
- Matematik
- Samfundsfag
Faglige nøgleord
- Kemiske bindingstyper
- Organisk kemi
- Enzymer
- Aminosyrer
- Proteiner
- Mængdeberegninger
- Enzymkinetik
- Miljø
- Protin engineering
