El plástico de un camión volquete se vacía en el océano cada minuto. En todo el mundo, la humanidad produce más de 300 millones de toneladas de plástico cada año, gran parte de la cual se prevé que dure de siglos a milenios y contamine los ambientes acuáticos y terrestres. Plástico PET, abreviatura de tereftalato de polietileno, es el cuarto plástico más producido y se utiliza para hacer cosas como botellas de bebidas y alfombras, este último esencialmente no se recicla. Algunos científicos esperan cambiar eso, utilizando supercomputadoras para diseñar una enzima que descomponga el PET. Dicen que es un paso en un largo camino hacia el reciclaje de PET y otros plásticos en materiales comercialmente valiosos a escala industrial.

"Idealmente, vamos de un lugar donde los plásticos son difíciles de reciclar a un lugar donde usamos la naturaleza y millones de años de evolución para dirigir las cosas de una manera que haga que el plástico sea fácil de reciclar". "dijo Lee Woodcock, profesor asociado de química en la Universidad del Sur de Florida. Woodcock fue coautor de un estudio que estudió la estructura de una enzima para degradar el PET y se publicó en marzo de 2018 en la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

El estudio se basa en un descubrimiento de 2016 de Yoshida et al. de una bacteria, Ideonella sakaiensis 201-F6, que se alimenta del plástico PET como fuente de carbono y energía. los PNAS los autores del estudio se centraron en la enzima que degrada el plástico de la bacteria, llamado PETase. Miembros del equipo de la Universidad de Portsmouth, dirigido por el profesor John McGeehan, utilizó cristalografía de rayos X en Diamond Light Source en el Reino Unido para resolver la estructura cristalina de alta resolución de PETase.

"Luego usamos simulaciones por computadora para comprender cómo un ligando polimérico como el PET podría unirse a la enzima, "dijo el coautor del estudio, Gregg Beckham, investigador senior y líder de grupo en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. (NREL). "También realizamos un trabajo experimental para demostrar que, de hecho, la PETase puede descomponer botellas de agua o refrescos, películas de PET de relevancia industrial, y otro plastico, furanoato de polietileno ".

Después de hacer este trabajo sobre la estructura y función de la enzima PETasa, A continuación, los autores intentaron comprender su evolución y buscar una enzima similar, una familia de cutinasas, que degradan la cutina de polímero ceroso que se encuentra en la superficie de las plantas.

"Desarrollamos la hipótesis de que si hacemos que la enzima PETasa se parezca más a una cutinasa, entonces deberíamos empeorar la enzima. Cuando hicimos este trabajo, de hecho, terminamos mejorando un poco la enzima al hacer eso, "Dijo Woodcock.

"Fue increíblemente sorprendente para nosotros, ", Explicó Beckham." Cuando lo hicimos más parecido a la cutinasa, la enzima se mejoró modestamente. En realidad, ese es uno de los aspectos clave de dónde entró la computación, debido a que nos permitió predecir o sugerir esencialmente interacciones aromático-aromáticas en la enzima con el poliéster aromático, el PET podría ser potencialmente responsable de su actividad mejorada. Pero fue una gran sorpresa para nosotros ", Dijo Beckham.

Las supercomputadoras les permitieron abordar cuestiones científicas difíciles sobre PETase, como los detalles de cómo interactúa en una escala molecular unida a un sustrato, algo más allá del alcance de lo que podría determinarse conociendo su estructura cristalina.

Los investigadores aprovecharon para este estudio de recursos computacionales de XSEDE, el entorno de descubrimiento de ciencias e ingeniería extremas, financiado por la National Science Foundation.

"Tener acceso a los recursos XSEDE realmente abre la posibilidad de poder modelar y poder estudiar qué tipo de conformacional a gran escala o incluso local, Se producen pequeños cambios estructurales en función de la unión al sustrato y, Adicionalmente, ¿Cuáles son los cambios estructurales a gran escala o locales, cambios estructurales a pequeña escala que ocurren en la enzima después de que hacemos las mutaciones. Eso fue una gran parte de lo que estábamos viendo, "Dijo Woodcock.

Woodcock explicó que simularon las escalas de tiempo largas de la enzima utilizando el campo de fuerza y ​​el programa de Química en la Mecánica Macromolecular de Harvard (CHARMM), así como software de dinámica molecular a nanoescala (NAMD).

XSEDE otorgó asignaciones a Gregg Beckham en los sistemas Stampede1 y Stampede2 en el Texas Advanced Computing Center (TACC) y en el sistema Comet en el San Diego Supercomputer Center (SDSC).

"Nuestra experiencia hasta la fecha en Stampede2 ha sido absolutamente maravillosa, ", Dijo Beckham." Para todos los códigos que usamos, ha sido una máquina fantástica. Pasamos las colas rápidamente. Estamos produciendo mucha ciencia excelente en todo el espectro de lo que nuestros grupos están haciendo colectivamente con Stampede2 en este momento. Ciertamente, para la investigación de la enzima degradadora de plásticos, lo estamos usando para manuscritos y estudios sobre este mismo tema ".

"Algo bueno de Comet, Woodcock dijo:"es que tienes, para los trabajos que necesita realizar con un alto rendimiento, SDSC tiene una cola compartida, que le permite enviar trabajos mucho más pequeños pero hacerlo con un rendimiento muy alto, ya que pueden compartir núcleos en los nodos de Comet. Esto fue particularmente útil ".

Ambos investigadores coincidieron en que la computación ayuda a realizar descubrimientos científicos. "Experimentalistas y científicos computacionales trabajan codo con codo cada vez con más frecuencia, "Woodcock dijo." Y sin acceso a recursos como este, esto realmente nos haría retroceder un paso, o varios pasos hacia atrás para producir los niveles más altos de ciencia y poder realmente abordar los problemas más desafiantes del mundo, que es lo que hicimos en este estudio en particular, hecho mediante la asociación con grupos experimentales de alto nivel como nuestros colaboradores en el Reino Unido y con nosotros aquí en los Estados Unidos ".

Beckham dijo que su trabajo acaba de comenzar con las enzimas que limpian la contaminación plástica. "Estamos empezando a comprender cómo ha evolucionado esta enzima, ", Dijo Beckham. Quiere utilizar la computación para aprovechar las grandes bases de datos de genómica y metagenómica de enzimas para encontrar las agujas en el pajar que pueden degradar los plásticos.

"La otra cosa también que nos interesa, "Beckham dijo, "es que si podemos hacer esto a una temperatura mucho más alta, eso podría acelerar la degradación del PET y llevarnos a reinos que potencialmente podrían ser relevantes industrialmente en términos de usar una enzima para degradar el PET y luego convertirlo en materiales de mayor valor, lo que podría incentivar tasas más altas de recuperación, especialmente en el mundo en desarrollo, donde muchos desechos plásticos van al océano ".

Lee Woodcock ve las nuevas técnicas computacionales como un cambio de juego en el modelado de campos de fuerza no similares a las drogas que abordan las interacciones de los polímeros de manera más realista que CHARMM y NAMD en la actualidad. "Estoy trabajando con colegas de NREL para asegurarme de que podamos mejorar los campos de fuerza de una manera muy rápida, de modo que si alguien entra y dice que debemos analizar este polímero a continuación, Confiamos en que podemos armar una estrategia de modelado en muy poco tiempo para lograr una respuesta rápida cuando tengamos que modelar muchos polímeros diferentes.

Los científicos esperan que su trabajo algún día haga del mundo fuera del laboratorio un lugar mejor. "Comprender cómo podemos diseñar mejor los procesos para reciclar plásticos y recuperarlos es un grave problema mundial y es algo para lo que la comunidad científica y de ingeniería tiene que encontrar soluciones. ", Dijo Beckham.

El estudio, "Caracterización e ingeniería de una poliesterasa aromática degradante de plásticos, "se publicó en marzo de 2018 en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Los autores son Harry P. Austin, Mark D. Allen, Alan W. Thorne, John E. McGeehan de la Universidad de Portsmouth; Bryon S. Donohoe, Rodrigo L. Silveira, Michael F. Crowley, Antonella Amore, Nicolás A. Rorrer, Graham Dominic, William E. Michener, Christopher W. Johnson, Gregg T. Beckham del Laboratorio Nacional de Energía Renovable; Fiona L. Kearns, Benjamin C. Pollard, H. Lee Woodcock de la Universidad del Sur de Florida; Munir S. Skaf de la Universidad de Campinas; Ramona Duman, Kamel El Omari, Vitaliy Mykhaylyk, Armin Wagner de Diamond Light Source, Campus de ciencia e innovación de Harwell. El Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable financió el estudio, con tiempo de computadora proporcionado por la asignación MCB-090159 del Entorno de Descubrimiento de Ingeniería y Ciencia Extrema (XSEDE).