Las enzimas que se encuentran en la naturaleza pueden descomponer ciertos plásticos, pero no lo suficientemente bien como para apoyar el reciclaje industrial y detener el flagelo de los desechos plásticos. Sobre la base de lo que la naturaleza ha proporcionado, Los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer han mejorado la eficiencia de una cutinasa de compost de hojas y ramas que descompone el tereftalato de polietileno (PET), el plástico utilizado en botellas de agua de plástico transparente y de colores y muchos otros productos. Los investigadores creen que la enzima se puede refinar aún más, ofreciendo un candidato prometedor para impulsar el reciclaje ilimitado de PET y posiblemente otros plásticos como el acetato de celulosa.

En un trabajo publicado recientemente en la revista Bioquímica , Los investigadores utilizaron células de levadura para expresar la cutinasa de compost de hojas y ramas (LCC) modificada por la adición de moléculas de azúcar, o glicanos, en dos lugares. La enzima modificada "glicosilada" retuvo al menos la mitad de su actividad después de 48 horas a 75 grados Celsius, frente a una vida media informada previamente de 40 minutos para la enzima no modificada a 70 grados Celsius.

"Necesitamos plásticos y otros materiales que conserven un buen rendimiento y, después de su uso, luego pueden descomponerse mediante procesos seguros y suaves en sus bloques de construcción originales para su reutilización, "dijo Richard Gross, autor principal de la investigación, Profesor Constelación de Biocatálisis e Ingeniería Metabólica, miembro del Centro de Biotecnología y Estudios Interdisciplinarios, y profesor de Química y Biología Química en Rensselaer. "El objetivo debería ser cero residuos y, para ello, tenemos que incorporar la reutilización en el diseño de una amplia gama de polímeros y materiales. Este es un paso alentador hacia ese objetivo ".

"Este avance prometedor, que se necesita urgentemente a medida que la contaminación plástica se convierte en una amenaza cada vez mayor para nuestro medio ambiente, es el resultado del diverso conjunto de habilidades y el entorno colaborativo que hemos construido en Rensselaer ", dijo Deepak Vashishth, director del Centro de Biotecnología y Estudios Interdisciplinarios. "La investigación del Dr. Gross traspasa los límites entre productos biológicos y biofabricación, y seguramente nos ayudará a resolver los problemas críticos que enfrentamos ".

Con tecnologías existentes, una botella de plástico no se recicla tanto como se recicla. Después de un solo uso, un alto porcentaje de botellas de PET van directamente a los vertederos o se reutilizan como otros plásticos como las fibras de PET y el vellón para la ropa, alfombra, pantalón, muebles, y materiales de embalaje. Finalmente, El PET reciclado llega a los vertederos u otros entornos indeseables como océanos y lagos, un destino que muchos consumidores desconocen cuando arrojan sus botellas de agua a un contenedor de reciclaje.

La descomposición del PET en sus componentes básicos (ácido tereftálico y etilenglicol) permitiría la reutilización ilimitada más comúnmente asociada con otros materiales reciclables como el vidrio y el metal. Algunas enzimas naturales pueden descomponer el PET, pero no dentro de las limitaciones de tiempo y temperatura requeridas por un proceso de reciclaje industrial. Muchas enzimas pierden su actividad a temperaturas más altas, y eventualmente desnaturalizar. Una enzima adecuada para el reciclaje industrial debe poder operar a la temperatura óptima para descomponer el PET, que es de aproximadamente 75 grados Celsius, y debe conservar su actividad el tiempo suficiente para realizar su trabajo de manera rentable a esa temperatura.

El LCC se descubrió inicialmente a través del análisis metagenómico de un compost de ramas de hojas, lo que significa que los científicos extrajeron el ADN encontrado en un abono, independientemente de los organismos que lo produjeron, y luego usó el ADN para expresar y catalogar las enzimas que estaban presentes. Un estudio de 2012 publicado por investigadores no relacionados en la revista Microbiología aplicada y ambiental mostró que LCC era capaz de hidrolizar, o romperse, MASCOTA, pero perdió actividad rápidamente a temperaturas más altas. Eso llamó la atención de Gross, un experto en métodos biocatalíticos y de síntesis química, que vio la oportunidad de mejorar la "estabilidad cinética" de la enzima sin dañar su capacidad para degradar el PET.

El laboratorio estudió la enzima y encontró tres sitios de glicosilación separados, secuencias de aminoácidos a las que se unen los glicanos durante la síntesis de proteínas. Gross dijo que los sitios de glicosilación podrían haber evolucionado en un organismo anterior y haberse conservado a pesar de que no fueron utilizados por la bacteria natural que originalmente produjo esta proteína. A pesar de todo, cuando el equipo expresó la enzima utilizando la cepa de levadura Pichia pastoris, encontraron que la levadura glicosilaba naturalmente la enzima en los tres sitios. Investigaciones posteriores mostraron que dos sitios de glicosilación produjeron una enzima más eficaz que tres sitios.

Con solo esos cambios menores, el equipo vio una mejora de más de 60 veces en la estabilidad cinética. Y Gross dijo que la investigación adicional explorará cómo mejorar aún más la cinética y la actividad general de la enzima experimentando con secuencias de aminoácidos para crear estructuras variantes. A través de este trabajo, Gross espera comprender las reglas de diseño que conducen a un mejor rendimiento.

"Esta cutinasa es un excelente candidato para la comercialización, pero este trabajo también nos ayudará a rediseñar otras cutinasas para descomponer otros polímeros, y ese es un juego final mucho más grande, "dijo Gross.

"Estabilización de cutinasa de compost de hojas y ramas (LCC) con glicosilación:mecanismo y efecto sobre la hidrólisis de PET" se publicó en Bioquímica .