La producción de plásticos baratos, duraderos y adaptables se ha disparado en las últimas décadas a medida que se infiltran en cada aspecto de nuestras vidas; sin embargo, este polímero, antaño deseable, tiene un lado oscuro. Los plásticos pueden tardar cientos de años en degradarse y, con una producción a niveles astronómicos (a nivel mundial, más de 350 millones de toneladas al año), la contaminación por plásticos es una de las preocupaciones medioambientales más urgentes a las que se enfrenta el mundo hoy en día.
La asombrosa cifra de 150 millones de toneladas de plástico acaba cada año en vertederos o se libera al medio ambiente, y más de 8 millones de toneladas son transportadas por los ríos hasta los océanos del mundo. La mayor parte no se degrada, sino que simplemente se descompone en micropartículas. Estos microplásticos, ampliamente documentados, se encuentran en el agua del océano, en el interior de animales marinos e incluso en lo más profundo del sistema gastroentérico de los seres humanos. La contaminación por plásticos es uno de los problemas medioambientales más críticos a los que se enfrenta la humanidad hoy en día, y los investigadores han estado buscando respuestas a este desconcertante problema.
Despolimerización: Resolviendo el enigma del reciclaje de polímeros
Los plásticos están hechos de polímeros: largas cadenas creadas mediante la repetición de bloques monómeros. La mayoría de los plásticos de uso común son termoplásticos o termoestables. Los termoplásticos, como el acrílico, la poliamida y el polietileno, se vuelven blandos y moldeables a altas temperaturas y se endurecen al enfriarse. Esta propiedad los hace relativamente fáciles de reciclar, ya que pueden ablandarse y volver a moldearse en nuevos productos, aunque la disminución de la calidad limita sus beneficios. Los plásticos termoestables, como el poliuretano, la resina epoxi y la resina de melamina, se endurecen al calentarse y son casi imposibles de reciclar. Los retos que plantea el reciclaje tanto de los termoplásticos como de los termoestables significan que todos los plásticos acabarán contribuyendo a la contaminación medioambiental.
Para lograr un reciclaje real, con su posterior reutilización en nuevos productos, los residuos plásticos deben volver a sus monómeros originales mediante un proceso llamado despolimerización. Este es un avance técnico fundamental necesario para permitir una economía circular global de materiales. En los sistemas biológicos, la despolimerización completa hasta llegar a los monómeros puede ser necesaria para la absorción y el crecimiento microbiano.
Para lograr la despolimerización, los científicos han recurrido a la naturaleza, buscando enzimas microbianas capaces de descomponer los plásticos. En 2012, investigadores de la Universidad de Osaka descubrieron en un montón de compost una enzima capaz de descomponer uno de los plásticos más utilizados del mundo: el tereftalato de polietileno (PET, número de registro CAS 25038-59-9, fórmula (C10H8O4)n).
La enzima, conocida como cutinasa de compost de hoja y rama (LLC), rompe los enlaces entre los monómeros de PET, pero no tolera la temperatura de reblandecimiento del PET de 65 °C, desnaturalizándose tras unos días de trabajo a esta temperatura y limitando su viabilidad industrial. Dado que la despolimerización solo puede tener lugar en plástico fundido, las enzimas deben ser estables a temperaturas elevadas
Despolimerización de PET de doble acción a partir de una bacteria del suelo poco conocida
El PET es un termoplástico y uno de los poliésteres más utilizados. La producción mundial de PET pasó de 42 millones de toneladas en 2014 a 50 millones de toneladas en 2016 y se prevé que alcance los 87 millones de toneladas en 2022.
Este polímero sintético se fabrica a partir de ácido tereftálico (TPA) derivado del petróleo y etilenglicol (EG). El PET es un polímero versátil que puede fabricarse transparente, opaco o de color blanco, dependiendo de su estructura cristalina y del tamaño de sus partículas (Fig. 1). Se utiliza ampliamente para producir fibras textiles y envases, incluidas botellas de agua, y el PET no orientado puede termoformarse (o moldearse) para fabricar otros productos de embalaje, como blísteres1. Encontrar una forma eficaz de despolimerizar el PET será un hito importante en el camino hacia un verdadero reciclaje de plásticos y la consiguiente protección del medio ambiente.
La biodegradación del PET ha sido ampliamente estudiada porque las enzimas esterasas (enzimas que dividen los ésteres en un ácido y un alcohol) son abundantes en la naturaleza2. Sin embargo, los informes sobre la degradación biológica del PET o su utilización para favorecer el crecimiento microbiano son poco frecuentes. Algunos organismos del grupo de los hongos filamentosos, Fusarium oxysporum y Fusarium solani, se han cultivado en un medio mineral que contiene hilos de PET3.
En 2016, Yoshida et al4 informaron del descubrimiento y la caracterización de la cepa bacteriana del suelo, Ideonella sakaiensis 201-F6, encontrada creciendo en sedimentos contaminados con PET cerca de una planta de reciclaje de plástico en Japón. Esta bacteria gramnegativa, aeróbica y con forma de bastón tiene la notable capacidad de utilizar el PET como su principal fuente de carbono y energía para crecer.
I. sakaiensis emplea un sistema de dos enzimas para despolimerizar el PET en sus bloques de construcción, TPA y EG, que posteriormente se catabolizan como fuente de carbono y energía. Una de las dos enzimas, la proteína ISF6_4831, hidroliza y rompe los enlaces éster. Con preferencia por los ésteres aromáticos frente a los alifáticos, y una inclinación específica hacia el PET, se denomina PET hidrolasa (PETasa). La enzima PETasa en I. sakaiensis es una serina hidrolasa similar a la cutinasa que ataca al polímero PET, liberando tereftalato de bis(2-hidroxietilo) (BHET), tereftalato de mono(2-hidroxietilo) (MHET) y TPA. La PETasa escinde además el BHET en MHET y EG. La segunda enzima, la proteína ISF6_0224, MHET hidrolasa (MHETasa), hidroliza aún más el MHET soluble para producir TPA y EG (Fig. 2). Ambas enzimas son necesarias, probablemente de forma sinérgica, para convertir enzimáticamente el PET en sus dos monómeros ambientalmente benignos, TPA y EG4, lo que hace posible reciclar completamente el PET.
Capacidad de degradación de PET superdimensionada del mutante de PETasa
Los estudios de secuencia y estructura de la enzima PETasa destacan similitudes con las enzimas cutinasas, evolucionadas por muchas bacterias para descomponer la cutina, un polímero natural y ceroso que forma parte de la cutícula protectora de muchas plantas. El análisis de la estructura cristalina y las pruebas bioquímicas revelan que la PETasa en I. sakaiensis 2 tiene una arquitectura de sitio activo abierta en el lugar de unión y que probablemente opera siguiendo el mecanismo catalítico canónico de la serina hidrolasa5.
Basándose en las modificaciones estructurales de la PETasa y en una hendidura del sitio activo de una cutinasa homóloga, se han producido y probado variantes de PETasa para la degradación del PET, incluido un mutante con una doble mutación distal al centro catalítico. Se plantea la hipótesis de que esta zona es capaz de modificar importantes interacciones de unión al sustrato6. Se descubrió que este doble mutante, basado en la arquitectura de la cutinasa, exhibe una mayor capacidad de degradación del PET en comparación con la PETasa de tipo salvaje6 y ya se ha presentado una patente7.
Al estrechar la hendidura de unión mediante la mutación de dos residuos del sitio activo en las cutinasas, los investigadores observaron una mejor degradación del PET, lo que sugiere que la PETasa no presenta la estructura óptima para la degradación del PET cristalino, a pesar de haber evolucionado en un entorno rico en PET. La enzima mutante tarda solo unos días en empezar a descomponer el plástico, mucho más rápido que los siglos que tarda en los océanos.
Del doble mutante a un cóctel de doble enzima
Cuando se añade la enzima MHETasa a la reacción, la mezcla enzimática descompone el PET el doble de rápido que la PETasa por sí sola. La tendencia de degradación observada dentro del rango de cargas enzimáticas probadas muestra niveles crecientes de monómeros constituyentes a medida que aumenta la concentración de ambas enzimas. Esto indica que las reacciones están limitadas por la enzima, más que por el sustrato. El análisis de sinergia también indica que las tasas de degradación aumentan con la carga de PETasa y que la presencia de MHETasa, incluso en concentraciones bajas en relación con la PETasa, mejora la degradación total. Los experimentos actuales no indican una proporción óptima de PETasa a MHETasa.
La creación de una superenzima triplica la degradación del PET
En experimentos posteriores que exploraron las propiedades y el alcance de la degradación del PET, los investigadores han diseñado una nueva superenzima uniendo la MHETasa y la PETasa en una sola cadena larga. Se generaron y analizaron las proteínas quiméricas que vinculan covalentemente el extremo C de la MHETasa con el extremo N de la PETasa, utilizando enlazadores flexibles de glicina-serina, para la degradación de PET amorfo (Fig. 3). Al comparar el grado de degradación logrado por diferentes enzimas, las proteínas quiméricas superan tanto a la PETasa como a la MHETasa, así como a la mezcla de enzimas no vinculadas.
Curiosamente, la superenzima no solo despolimeriza el PET, sino que también actúa sobre el PEF (furanoato de polietileno), un bioplástico a base de azúcar utilizado en botellas de cerveza.
La deconstrucción enzimática de algunos polímeros naturales, como la celulosa y la quitina, se logra en la naturaleza mediante mezclas de enzimas que actúan de forma sinérgica secretadas por microbios8. Estos sistemas microbianos naturales han evolucionado con el tiempo para degradar de forma óptima dichos polímeros. Parece que algunas bacterias del suelo, como I. sakaiensis, han evolucionado de forma similar para utilizar un sustrato de poliéster con un sistema de dos enzimas4,9. A diferencia de la degradación natural, que puede llevar siglos, la superenzima puede convertir el PET de nuevo en sus monómeros en solo unos días, aunque esto sigue siendo demasiado lento para ser comercialmente viable.
Reciclaje infinito con degradación de plástico
Al convertir el PET de nuevo en sus bloques de construcción monoméricos originales, la superenzima permitiría fabricar y reutilizar plásticos infinitamente, reduciendo la dependencia de los recursos fósiles. Y los avances no terminan aquí...
En 2020, un avance importante permitió a los científicos identificar otra enzima que podría degradar el PET en solo 10 horas10. La investigación analizó una gran variedad de bacterias y enzimas en busca de posibles candidatos, incluida la cutinasa de compost de hoja y rama, LCC, que se descubrió por primera vez en 2012. A continuación, se produjeron cientos de enzimas hidrolasas de PET mutantes variando los aminoácidos en el sitio de unión y mejorando la estabilidad térmica. Posteriormente, se analizaron mutantes bacterianos para identificar descomponedores de PET eficientes. Tras realizar este proceso durante varias rondas, se aisló una enzima mutante que es 10.000 veces más eficiente en la degradación del PET que la LCC nativa. También es estable a 72 °C, cerca de la temperatura de fusión del PET. Este hallazgo contribuye significativamente a lograr el reciclaje infinito del PET y ya se encuentra en una etapa industrial piloto10.
Solo estamos viendo la punta del iceberg de las posibilidades que estos microorganismos y sus enzimas pueden ofrecer. La mayoría de los plásticos se derivan de combustibles fósiles, finitos en su creación pero omnipresentes en nuestro entorno. La contaminación por plásticos seguirá siendo un problema creciente a menos que podamos encontrar una manera de formar una economía circular. En solo unas décadas, no podremos producir los artículos de plástico de los que dependemos a menos que encontremos una forma de reciclar los residuos que ya existen. El reciclaje tradicional no es eficaz ni sostenible y, a menos que podamos reducir los plásticos a sus constituyentes monoméricos a escala industrial, no podemos esperar resolver este problema. Afortunadamente, con la ayuda de la naturaleza, algo de evolución hábil y una pizca de ingenio científico, existe la esperanza de que este problema pueda resolverse.
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REFERENCIAS
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