lovesouthernsocial.com

El descobriment d'un grup internacional de científics, que inclou dos brasilers, pot ajudar a minimitzar la contaminació causada pel material.

Un grup internacional de científics, en el qual participen dos brasilers de la Universitat de Campinas (Unicamp), va aconseguir millorar el rendiment de la PETasa, un enzim capaç d'alimentar-se de tereftalat de polietilè, plàstic PET. Després que el 2016 es descobrís PETasa en una nova espècie de bacteris, el grup d'investigadors va treballar per obtenir l'estructura de l'enzim i entendre com funciona. En el procés, per casualitat, van acabar creant una mutació de l'enzim que té una afinitat encara més gran pel PET, és a dir, un major potencial de degradació del plàstic.

El treball té un enorme potencial d'ús pràctic, ja que s'estima que cada any s'alliberen als oceans entre 4,8 i 12,7 milions de tones de plàstic, una xifra que és probable que creixi. Els plàstics, que s'acumulen fins i tot a les platges més remotes del planeta, són tan utilitzats precisament per la seva resistència a la degradació, que és el que més amenaça el medi ambient. Quan es descarta, una ampolla de PET, per exemple, pot romandre al medi ambient durant 800 anys, a més del problema creixent i alarmant dels microplàstics.

• Comprendre l'impacte ambiental dels residus plàstics en la cadena alimentària
• Quin és l'origen del plàstic que contamina els oceans?

Amb tot això, és fàcil entendre el gran interès que desperta el descobriment d'un enzim capaç de digerir el tereftalat de polietilè. Aquest enzim, anomenat PETasa, ara ha augmentat la seva capacitat per degradar el plàstic. La novetat es va descriure en un article publicat a Actes de l'Acadèmia Nacional de Ciències dels Estats Units d'Amèrica (PNAS).

En la investigació han participat dos investigadors de l'Institut de Química de la Universitat Estatal de Campinas (IQ-Unicamp), en col·laboració amb investigadors del Regne Unit (Universitat de Portsmouth) i dels Estats Units (National Renewable Energy Laboratory). Són l'estudiant postdoctoral Rodrigo Leandro Silveira i el seu supervisor, el professor titular i degà de Recerca de l'Unicamp Munir Salomão Skaf.

“S'utilitza principalment en la fabricació d'ampolles de begudes, el tereftalat de polietilè també s'utilitza àmpliament en la fabricació de roba, catifes i altres objectes. En la nostra investigació, vam caracteritzar l'estructura tridimensional de l'enzim capaç de digerir aquest plàstic, l'hem dissenyat, augmentant el seu poder de degradació, i vam demostrar que també és actiu en el polietilè-2,5-furanodicarboxilat (PEF), un substitut del PET fabricat per matèries primeres renovables", va dir Silveira a l'Agência FAPESP.

L'interès per la PETase va sorgir el 2016, quan un grup d'investigadors japonesos, liderat per Shosuke Yoshida, va identificar una nova espècie de bacteris, el Ideonella sakaiensis, capaç d'utilitzar el tereftalat de polietilè com a font de carboni i energia, és a dir, capaç d'alimentar-se de PET. És, fins ara, l'únic organisme conegut amb aquesta capacitat. Literalment creix amb PET.

"A més d'identificar el Ideonella sakaiensis, els japonesos van descobrir que produïa dos enzims que es secreten al medi ambient. Un dels enzims secretats era precisament la PETasa. Com que té un cert grau de cristal·linitat, el PET és un polímer molt difícil de degradar. Tècnicament utilitzem el terme "recalcitrància" per anomenar la propietat que tenen certs polímers compactats per resistir la degradació. El PET és un d'ells. Però la PETasa l'ataca i la descompone en petites unitats: àcid mono(2-hidroxietil) tereftàlic (MHET). Les unitats MHET es converteixen després en àcid tereftàlic [per un segon enzim] i absorbides i metabolitzades pels bacteris", va dir Silveira.

Tots els éssers vius coneguts utilitzen biomolècules per sobreviure. Tots excepte Ideonella sakaiensis, que aconsegueix utilitzar una molècula sintètica, fabricada per humans. Això vol dir que aquest bacteri és el resultat d'un procés evolutiu molt recent que va tenir lloc durant les últimes dècades. Va aconseguir adaptar-se a un polímer que es va desenvolupar a principis dels anys 40 i que només es va començar a utilitzar a escala industrial als anys 70. Per això, PETase és la peça clau.

"PETase fa la part més difícil, que és trencar l'estructura cristal·lina i despolimeritzar PET en MHET. El treball del segon enzim, el que transforma el MHET en àcid tereftàlic, ja és molt més senzill, ja que el seu substrat està format per monòmers als quals l'enzim té fàcil accés perquè estan dispersos en el medi de reacció. Per tant, els estudis es van centrar en PETase”, ha explicat Silveira.

El següent pas va ser estudiar PETase en detall i aquesta va ser l'aportació de la nova investigació. "El nostre objectiu era esbrinar què donava a PETase la capacitat de fer alguna cosa que altres enzims no podien fer de manera molt eficient. Per això, el primer pas va ser obtenir l'estructura tridimensional d'aquesta proteïna”, va dir.

“Obtenir l'estructura tridimensional significa trobar les coordenades x, y i z de cadascun dels milers d'àtoms que formen la macromolècula. Els nostres col·legues britànics van fer aquest treball utilitzant una tècnica coneguda i àmpliament utilitzada anomenada difracció de raigs X", va explicar.

L'enzim modificat s'uneix millor al polímer

Un cop obtinguda l'estructura tridimensional, els investigadors van començar a comparar PETasa amb proteïnes relacionades. El més proper és una cutinasa del bacteri Thermobifida fusca, que degrada la cutina, una mena de vernís natural que recobreix les fulles de les plantes. Determinats microorganismes patògens utilitzen cutinases per trencar la barrera de la cutina i apropiar-se dels nutrients presents a les fulles.

Imatge: Estructura PETasa, en blau, amb una cadena de PET (en groc) unida al seu lloc actiu, on es degradarà. Nota de premsa/Rodrigo Leandro Silveira.

"Hem trobat que, a la regió de l'enzim on tenen lloc les reaccions químiques, l'anomenat 'lloc actiu', la PETasa tenia algunes diferències en relació amb la cutinasa. Té un lloc actiu més obert. Mitjançant simulacions per ordinador, i aquesta va ser la part que més vaig aportar, vam poder estudiar els moviments moleculars de l'enzim. Mentre que l'estructura cristal·logràfica, obtinguda per difracció de raigs X, proporciona informació estàtica, les simulacions permeten tenir informació dinàmica i descobrir el paper específic de cada aminoàcid en el procés de degradació del PET”, explica l'investigador d'IQ-Unicamp.

La física del moviment de les molècules resulta de les atraccions i repulsions electrostàtiques de la gran varietat d'àtoms i temperatura. Les simulacions per ordinador ens van permetre entendre millor com PETase s'uneix i interacciona amb PET.

"Hem trobat que la PETasa i la cutinasa tenen dos aminoàcids diferents al lloc actiu. Mitjançant procediments de biologia molecular, després produïm mutacions en PETasa, amb l'objectiu de transformar-la en cutinasa”, va dir Silveira.

“Si poguéssim fer-ho, mostraríem per què PETase és PETase, és a dir, sabríem quins components li donen una propietat tan peculiar de degradar el PET. Però, per a la nostra sorpresa, intentant suprimir la peculiar activitat de la PETasa, és a dir, intentant transformar la PETasa en cutinasa, produïm una PETasa encara més activa. Buscàvem reduir l'activitat i, en canvi, l'hem augmentat”, va dir.

Això va requerir més estudis computacionals per entendre per què la PETasa mutant era millor que la PETasa original. Amb el modelatge i les simulacions, es va poder comprovar que els canvis produïts en la PETasa afavoreixen l'acoblament de l'enzim amb el substrat.

L'enzim modificat s'uneix millor al polímer. Aquest acoblament depèn de factors geomètrics, és a dir, l'ajust de tipus "clau i pany" entre les dues molècules. Però també factors termodinàmics, és a dir, les interaccions entre els diferents components de l'enzim i el polímer. La manera elegant de descriure-ho és dir que la PETase modificada té una "més afinitat" pel substrat.

Pel que fa a una futura aplicació pràctica, d'obtenir un ingredient capaç de degradar tones de residus plàstics, l'estudi va ser un gran èxit. Però la pregunta de què fa que PETase sigui una PETase segueix sense resposta.

“La cutinasa té aminoàcids a i b. La PETasa té aminoàcids x i y. Ens imaginem que, intercanviant x i y per a i b, podríem transformar la PETasa en cutinasa. En canvi, produïm una PETasa millorada. En altres paraules, els dos aminoàcids no són l'explicació del comportament diferencial dels dos enzims. És una altra cosa”, va dir Silveira.

evolució contínua

La cutinasa és un enzim antic, mentre que la PETasa és un enzim modern, resultat de la pressió evolutiva que va fer possible Ideonella sakaiensis adaptar-se a un medi que conté només o principalment polietilè tereftalat com a font de carboni i energia.

Entre els molts bacteris incapaços d'utilitzar aquest polímer, alguna mutació va generar una espècie que va aconseguir fer-ho. Aquest bacteri va començar a reproduir-se i créixer molt més que els altres perquè tenia prou aliment. Amb això, es va desenvolupar. Almenys aquesta és l'explicació que ofereix la teoria evolutiva estàndard.

"El fet que aconseguim un enzim millor fent un petit canvi suggereix fortament que aquesta evolució encara no s'ha completat. Encara queden noves possibilitats evolutives per entendre i explorar, amb l'objectiu d'obtenir enzims encara més eficients. La PETase millorada no és el final del camí. És només el començament”, va dir Silveira.

Amb vista a l'aplicació, el següent pas és passar de l'escala de laboratori a l'escala industrial. Per a això, seran necessaris altres estudis, relacionats amb l'enginyeria del reactor, l'optimització de processos i la reducció de costos.