Los científicos han diseñado una enzima que puede digerir algunos de nuestros plásticos más contaminantes, proporcionando una solución potencial a uno de los mayores problemas ambientales del mundo.

El descubrimiento podría resultar en una solución de reciclaje para millones de toneladas de botellas de plástico, hecho de tereftalato de polietileno, o PET, que actualmente persiste durante cientos de años en el medio ambiente.

La investigación fue dirigida por equipos de la Universidad de Portsmouth y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. Y se publica en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).

El profesor John McGeehan de la Universidad de Portsmouth y el Dr. Gregg Beckham de NREL resolvieron la estructura cristalina de PETase, una enzima recientemente descubierta que digiere PET, y utilizaron esta información 3D para comprender cómo funciona. Durante este estudio, inadvertidamente diseñaron una enzima que es incluso mejor para degradar el plástico que la que evolucionó en la naturaleza.

Los investigadores ahora están trabajando para mejorar aún más la enzima para permitir su uso industrial para descomponer plásticos en una fracción del tiempo.

Profesor McGeehan, Director del Instituto de Ciencias Biológicas y Biomédicas de la Facultad de Ciencias Biológicas de Portsmouth, dijo:"Pocos podrían haber predicho que, dado que los plásticos se hicieron populares en la década de 1960, se encontrarían enormes parches de desechos plásticos flotando en los océanos, o varado en playas que alguna vez fueron vírgenes en todo el mundo.

"Todos podemos desempeñar un papel importante en el tratamiento del problema del plástico, pero la comunidad científica que finalmente creó estos 'materiales maravillosos', ahora deben utilizar toda la tecnología a su disposición para desarrollar soluciones reales ".

Los investigadores lograron el gran avance cuando examinaban la estructura de una enzima natural que se cree que ha evolucionado en un centro de reciclaje de residuos en Japón. permitiendo que una bacteria degrade el plástico como fuente de alimento.

MASCOTA, patentado como plástico en la década de 1940, no ha existido en la naturaleza por mucho tiempo, por lo que el equipo se propuso determinar cómo evolucionó la enzima y si sería posible mejorarla.

El objetivo era determinar su estructura, pero terminaron yendo un paso más allá y accidentalmente diseñaron una enzima que era aún mejor para descomponer los plásticos PET.

"La serendipia a menudo juega un papel importante en la investigación científica fundamental y nuestro descubrimiento aquí no es una excepción, "Dijo el profesor McGeehan.

"Aunque la mejora es modesta, Este descubrimiento inesperado sugiere que hay espacio para mejorar aún más estas enzimas, acercándonos a una solución de reciclaje para la montaña cada vez mayor de plásticos desechados ".

El equipo de investigación ahora puede aplicar las herramientas de la ingeniería y la evolución de proteínas para continuar mejorando.

La Universidad de Portsmouth y NREL colaboraron con científicos de Diamond Light Source en el Reino Unido, un sincrotrón que utiliza intensos haces de rayos X 10 mil millones de veces más brillantes que el sol para actuar como un microscopio lo suficientemente potente como para ver átomos individuales.

Usando su último laboratorio, línea de luz I23, Se generó un modelo 3D de ultra alta resolución de la enzima PETasa con un detalle exquisito.

El profesor McGeehan dijo:"Diamond Light Source creó recientemente una de las líneas de rayos X más avanzadas del mundo y tener acceso a esta instalación nos permitió ver la estructura atómica 3D de PETase con un detalle increíble. Poder ver el funcionamiento interno de este catalizador biológico nos proporcionó los planos para diseñar una enzima más rápida y eficiente ".

Director Ejecutivo de Diamond Light Source, Profesor Andrew Harrison, dijo:"Con el aporte de cinco instituciones en tres países diferentes, esta investigación es un buen ejemplo de cómo la colaboración internacional puede ayudar a lograr avances científicos significativos.

"El detalle que el equipo pudo extraer de los resultados logrados en la línea de luz I23 en Diamond será invaluable para tratar de adaptar la enzima para su uso en procesos de reciclaje industrial a gran escala. El impacto de una solución tan innovadora para los desechos plásticos sería global. Es fantástico que los científicos y las instalaciones del Reino Unido estén ayudando a liderar el camino ".

Con la ayuda de los científicos de modelado computacional de la Universidad del Sur de Florida y la Universidad de Campinas en Brasil, el equipo descubrió que PETase se parece mucho a una cutinasa, pero tiene algunas características inusuales, incluido un sitio activo más abierto, capaz de acomodar polímeros artificiales en lugar de naturales. Estas diferencias indicaron que PETasa puede haber evolucionado en un entorno que contiene PET para permitir que la enzima degrade el PET. Para probar esa hipótesis, los investigadores mutaron el sitio activo de PETasa para hacerlo más parecido a una cutinasa.

Y fue entonces cuando sucedió lo inesperado:los investigadores encontraron que la PETasa mutante era mejor que la PETasa natural en la degradación de PET.

Significativamente, la enzima también puede degradar el furandicarboxilato de polietileno, o PEF, un sustituto de base biológica para los plásticos PET que está siendo aclamado como un reemplazo de las botellas de cerveza de vidrio.

El profesor McGeehan dijo:"El proceso de ingeniería es muy similar al de las enzimas que se utilizan actualmente en los detergentes de biolavado y en la fabricación de biocombustibles:la tecnología existe y existe la posibilidad de que en los próximos años veamos una solución industrialmente viable proceso para convertir PET y potencialmente otros sustratos como PEF, PLA, y PBS, de vuelta a sus bloques de construcción originales para que puedan ser reciclados de forma sostenible ".

El autor principal del artículo es un estudiante de posgrado financiado conjuntamente por la Universidad de Portsmouth y NREL, Harry Austin.

Dijo:"Esta investigación es solo el comienzo y hay mucho más por hacer en esta área. Estoy encantado de ser parte de un equipo internacional que está abordando uno de los mayores problemas que enfrenta nuestro planeta".